EP4466178A1 - Pedalier a generateur de retour haptique - Google Patents

Pedalier a generateur de retour haptique

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Publication number
EP4466178A1
EP4466178A1 EP23703095.2A EP23703095A EP4466178A1 EP 4466178 A1 EP4466178 A1 EP 4466178A1 EP 23703095 A EP23703095 A EP 23703095A EP 4466178 A1 EP4466178 A1 EP 4466178A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vehicle
crankset
rate
threshold value
speed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23703095.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre FRANCIS
Nicolas OHLMANN
Benjamin Pion
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cixi
Original Assignee
Cixi
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cixi filed Critical Cixi
Publication of EP4466178A1 publication Critical patent/EP4466178A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M19/00—Transmissions characterised by use of non-mechanical gearing, e.g. fluid gearing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/45—Control or actuating devices therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/20—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power generated by humans or animals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/55—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at crank shafts parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/80—Accessories, e.g. power sources; Arrangements thereof
    • B62M6/90—Batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/12—Bikes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
    • B60L2240/423—Torque

Definitions

  • the present invention relates to a crankset comprising a haptic feedback generator allowing control of the kinematics, by regulating a specific haptic feedback.
  • a crankset can be fitted to stationary exercise equipment with pedals or electrically powered vehicles, such as bicycles or cycles, and in particular velomobiles with a closed or semi-closed frame.
  • the invention relates to the technical field of land transport and can be implemented for leisure, sports or utility vehicles, for example for delivery vehicles.
  • crankset according to the invention can also be used in the field of physical exercise in a crankset exercise device of the exercise bike or elliptical trainer type.
  • Velomobiles are hybrid vehicles, combining aspects of a small car with those of a recumbent bicycle. These are vehicles expected to replace individual cars in urban areas. Velomobiles are a much more economical and ecological alternative to the electric car.
  • cycles of the velomobile type are vehicles of reduced size, and therefore relatively light.
  • Velomobiles of low weight and volume can weigh less than 50 kg, typically between 30 and 50 kg. These velomobiles can be either powered exclusively by muscles, or include electric assistance, in particular for help uphill. The power of the electric assistance amounts to a few hundreds of Watts, typically 200 to 300 W. Their speed is relatively low, less than or close to 25 km/h. These velomobiles are designed to use the tracks and lanes reserved for cycles.
  • Velomobiles of significant weight and volume usually weigh several hundred kilograms.
  • the propulsion of these velomobiles is preferably electric, their pedals being then only present for the control of the acceleration and possibly for the recharging of a battery supplying the electric motor of the velomobile.
  • Electric propulsion is done by means of one or more motors with a total power of several kilowatts. Their speed is relatively high, most models being designed to travel at 80-120km/h.
  • These velomobiles travel on automobile lanes, like a conventional automobile.
  • the document EP3154815 describes for example such a vehicle.
  • Speed control can be carried out by the driver using the foot pedal.
  • the setpoint applied to the propulsion motor is for example a function of the rotation rate of the crankset, and it is determined so that the motor accelerates the rotation of the wheel by the motor torque that it generates.
  • the internal mechanism of the crankset generally exerts a resistive torque, substantially opposite to the torque exerted by the user.
  • These devices generate a vehicle acceleration and a resistance torque proportional to the acceleration exerted by the user on the pedals, and offer the modeling of a reference inertia corresponding to known cranksets and cycles, with a spread of the speed values of the piloted vehicle making it possible to reach high speeds.
  • the acceleration on the crankset is calculated by double time derivation, which involves complicated calculations that consume calculation time, and in particular based on a cadence measured at high frequency and/or on a large time range.
  • the computing power of the control unit must be oversized, otherwise a discrepancy between the variations in the pedaling rate and the variations in the resistive torque is observed and felt by the user.
  • the technical problem of the invention is therefore to allow dynamic and continuous adjustment of the pedaling rate, corresponding to said action, and in particular to make pedaling at high power sustainable.
  • the invention proposes not to resort to a complex modeling of known mechanical cranksets but to use a set rate based on the power developed by the user to generate the resistive torque.
  • Such a crankset comprises a regulation of the pedaling rate by the torque, which corresponds to a behavior relatively close to the behavior of a cycle of the bicycle or velomobile type with muscle propulsion.
  • the control unit regulates the setpoint cadence by estimating a power applied to the crankset by rotating it and by decreasing or increasing the setpoint cadence so that said setpoint cadence increases with the power applied to the crankset.
  • the control of the pedaling rate is then carried out by simple comparison with a set value and estimation of the pedaling power, without any consideration of acceleration and therefore of double time derivative.
  • the computational power and the window of measurements of position or rotational cadence of the crankset can be reduced, and the haptic feedback is almost immediate and provides a more pleasant sensation, in the sense that it is similar to that observed on a traditional mechanical bicycle.
  • the set cadence increasing with the power supplied to the crankset, ensures that pedaling remains pleasant at high power.
  • the invention proposes that the set rate depends linearly on the power.
  • the set rate depends linearly on the power with a slope between 0.05 and 0.25 revolutions per minute per watt, more particularly from 0.08 to 0.15 revolutions per minute per watt, and more particularly around 0.10 revolutions per minute per watt.
  • the crankset comprises means for adjusting the cadence at the origin.
  • a user can then continuously adapt the parameters of the haptic feedback, for example if the cadence imposed by the crankset is too low or too high over a range of pedaling power.
  • control unit is configured to determine the parameters of the target rate such as the slope and the ordinate at the origin of the target rate at the origin during a calibration.
  • the haptic feedback by modulation of the resistive torque can then be adapted specifically to each user, in particular by storing in an electronic or computer memory several profiles each having a setting adapted to a user.
  • the pedal set can in particular be made in the form of a reversible electric machine, comprising a generator mode of operation, in which an electric load controlled by the control unit forms the haptic feedback generator.
  • crankset then does not require a mechanical system dedicated to the resistive torque.
  • the electric current generated in generator operating mode can in particular be used to charge an electric battery, or power any electrical device, such as for example a mobile telephone.
  • the energy dissipated at the level of the crankset during braking by the resistive torque can then be recovered and restored, for example for an electric motor controlled by means of the crankset, or to a device charger such as a telephone for example.
  • the reversible electric machine may comprise a motor operating mode, in which electric current from an electric battery is used to generate a motor torque on the crankset.
  • the resistive torque can then be made motor, and thus used to generate a driving effect of the pedals for example to simulate a descent, where the wheels would be driven and would in return drive the pedals.
  • the invention also relates to an electric propulsion vehicle comprising a pedal assembly as described above, said pedal assembly being used to control the electric propulsion of the vehicle.
  • the control unit can then be configured to:
  • control unit may comprise a second mode of operation in which the angular position of the pedal assembly is slaved to the longitudinal position of the vehicle.
  • the pedal assembly is then characterized in that the control unit comprises a second mode of operation in which the angular position of the pedal assembly is slaved to the longitudinal position of the vehicle.
  • This mode of operation makes it possible in particular to better control and feel the variations in the longitudinal position of the vehicle, in particular at low speed, by giving the impression of using a fixed gear bicycle, called "fixie" in English (from “fixed gear bicycle ").
  • control unit is configured to:
  • control unit slaves the angular position of the pedals of the pedals to the longitudinal position of the vehicle
  • control unit can additionally be configured for:
  • the third mode of operation makes it possible to ensure the continuity of the cadence as a function of the speed of the vehicle between the first and the second mode of operation.
  • This third transition operating mode then makes it possible to make the switch from one operating mode to the other continuous and comfortable for the user.
  • control unit is configured according to a particular embodiment to: calculate a projected target rate at the threshold value greater than the current power; define a target cadence by interpolation as a function of the speed of the vehicle, between on the one hand the cadence corresponding to the lower threshold value of the second mode, and on the other hand the cadence of the first mode at the upper threshold value.
  • the interpolation makes it possible to obtain a connection between the setpoint speeds between the two modes in a simple way.
  • the control unit can be configured to detect reverse actuation of the crankset and trigger a braking mechanism when backpedaling is detected.
  • the invention can also be applied to any type of device equipped with a crankset, and in particular to a fixed exercise device with a crankset, of the exercise bike or elliptical trainer type.
  • FIG. 1 is a side view of a vehicle according to a particular embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the vehicle of Figure 1;
  • FIG. 3 is a schematic representation of the pedal assembly of the vehicle of FIG. 1 and the elements interacting with said pedal assembly while driving;
  • FIG. 4 is a graph of the target pedaling rate as a function of the power developed by the user
  • FIG. 5 is a graph of the resistive torque exerted on the crankset as a function of the pedaling rate
  • FIG. 6 is a graph of the target cadence as a function of the speed of a vehicle controlled by the crankset
  • FIG. 7 is a graph of the target cadence as a function of the vehicle speed in an alternative embodiment
  • FIG. 8 is a graph of target cadence versus vehicle speed in another alternate embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic representation of a stationary exercise device comprising a crankset according to the invention.
  • FIG. 1 is a side view of a vehicle 1 of the velomobile type according to the invention.
  • the vehicle 1 comprises a passenger compartment 10, comprising a bodywork closing the passenger compartment 10.
  • the passenger compartment 10 has a general shape similar to that of a single-seater car, with side doors 11 and windows 12.
  • the vehicle 1 has wheels 31, 33, three in number, with a driving rear wheel 31 and two steering front wheels 33 (only one of the two front wheels 33 is visible). Other embodiments may use two or four wheels. In addition, one or two front wheels may be driven in addition to or as an alternative to the drive of one or more rear wheels.
  • Figure 2 is a sectional view of the vehicle of Figure 1. In Figure 2 appears in particular the interior of the passenger compartment 10.
  • the rear wheel 31 is connected to a drive device 5 such as a belt, chain or gear.
  • the drive device 5 is in turn connected to an electric motor 7 which sets the rear wheel 31 in motion, from electrical energy stored in batteries 9, located in a floor of the passenger compartment 10 in the example in figure 2.
  • the drive device 5 may in particular comprise a gearbox.
  • the recharging of at least part of the electrical energy stored in the batteries 9 is obtained by means of a pedal 14.
  • crankset 14 is shown in Figure 3 separately, with the electric motor 7, the drive device 5 and the rear wheel 31 driven.
  • the pedal 14 comprises pedals 141, on which the user presses by means of his feet and legs for their movements.
  • a haptic feedback generator 15 is connected to the pedal set 14, or even is integrated therein. This haptic feedback generator 15 generates a generally resistive torque on the crankset 14. In certain particular embodiments, this haptic feedback generator 15 can be a motor.
  • the pedal set 14 is advantageously in the form of a reversible electric machine, in particular direct current, comprising a generator mode of operation, in which a controlled electric load forms the haptic feedback generator 15.
  • the pedal 14 can, in its operation in generator mode, convert at least part of the mechanical energy supplied by the user into electrical energy stored in the battery 9 to be restored later in the form of acceleration of the wheels 31, 33 by means of the electric motor 7.
  • a dedicated braking device for example mechanical friction
  • a dedicated electric motor can be used, the action of said dedicated electric motor being opposite to that of the user at the level of the pedals 14.
  • the crankset 14 also comprises means for estimating the rate of rotation 143 of the crankset 14, for example by means of one or more angular position sensors of the pedals 141 with a simple time differentiator.
  • FIG. 3 is a schematic representation of the elements of the vehicle involved in the regulation method according to the invention.
  • Said elements comprise: the crankset 14, the haptic feedback generator 15, the electric motor 7, the drive device 5, means for estimating the rate of rotation of the crankset 14, that is to say the means estimation of the rate of rotation 143, for example the position sensors of the pedals 141 in the example of FIG. 3, the battery 9 and a control unit 19, connected to a current regulator device 17 disposed between the battery 9 and the electric motor 7.
  • the electric motor 7 delivers its mechanical power to the wheel 31 via the drive device 5.
  • the wheel 31 comprises position sensors 35 of the wheel 31 .
  • the position sensors 35 are electronically linked to the control unit 19, and can in particular be used to determine a blocking or slipping of the wheel 31 .
  • the control unit 19 is for example made in the form of a processor connected to a programmable memory, and comprises means for actuating various electrical and electronic elements by means of transistors and controlled switches.
  • the control unit 19 exercises in particular a servo-control of the cadence of the crankset 14 to a set cadence.
  • the feedback in this servo is generated by the haptic feedback generator 15 itself controlled by the control unit 19.
  • the control unit 19 increases the resistive torque exerted by the haptic feedback generator 15 on the crankset 14. Conversely, if the rotational rate of the crankset 14 measured is lower than the set rate, the control unit 19 reduces the resistive torque exerted by the haptic feedback generator 15 on the crankset 14.
  • the control unit increases or decreases the resistance felt by the user, which then changes the cadence.
  • Figure 4 is a graph of the resistive torque ⁇ Res as a function of the pedaling rate 0'.
  • the resistive torque ⁇ Res is notably low, ideally zero, up to a threshold value 0s' which is the set rate. Beyond the set rate 0s' the resistive torque increases linearly with the steepest possible slope, ideally vertical corresponding to an increase in step, from a low value ideally zero to the highest possible value, corresponding to the maximum deliverable torque.
  • the increase in the pedaling rate is mainly governed by the increase, by the control unit 19, of the threshold value 0s′ forming the setpoint rate.
  • the resistive torque TRes can be negative (that is to say motor) when the cadence is lower than the threshold value 0s'.
  • a motor torque exerted by freewheel imperfections is simulated. Indeed, in an imperfect freewheel we observe, due to friction and imperfect decoupling, a return drive of the pedals 141 by the wheel 31, i.e. a slightly driving torque.
  • the invention therefore provides that the set rate 0s' varies as a function of the power P developed by the rotation of the pedaling, that is to say the power supplied by the user. More particularly, the invention provides that the control unit 19 proceeds, for example iteratively, with the following steps: estimation of a power P supplied by the rotation of the crankset 14; and decrease or increase of the predetermined target rate 6s' so that the target rate 6s' increases with the power supplied by the rotation of the crankset 14.
  • pedaling to be pleasant and therefore sustained over the length, must remain in a cadence range around 66 revolutions per minute (rpm or "rotations per minute” in English), typically between 56 and 76 rpm, more particularly between 55 and 65 rpm.
  • a direct estimation can make it possible to estimate the power P developed by pedaling. For example, this estimate can be obtained by current and voltage sensors so as to calculate the electrical power dissipated by the electrical load.
  • the power developed by a cyclist is between 6 and a few hundred watts. A confirmed cyclist can develop up to 466 watts. An average or poorly trained cyclist can develop up to 266 to 256 watts.
  • Low or low power values therefore mean values of less than a hundred watts, while high or high power values mean values greater than 156 to 266 watts or even more when the user is an experienced cyclist. .
  • Figure 5 is a graph of the set rate 6s' as a function of the power P.
  • the set rate 6s' increases with the power P, for example linearly.
  • the graph of the set rate 6s'(P) is in particular a straight line, starting from a value at the origin 6o' corresponding to a no-load rate, without torque resistive, and having a positive slope between 0.05 and 0.25 rpm per watt, in particular from 0.08 to 0.15 rpm per watt, and more particularly around 0.10 rpm per watt.
  • the value at the origin Oo' and the positive slope are generally variable from one user to another according to their sporting abilities in particular. It is possible to use an electronic memory to store several profiles, each comprising an origin value Oo' and a slope value, the user being able to choose among these profiles.
  • profiles can either be chosen directly by the user in a menu on an interface among pre-existing profiles, or these profiles can be adjusted and personalized then stored for each user.
  • the parameters of the set rate 6s' are determined by a preliminary calibration step.
  • An interface for example a dedicated screen or a terminal such as a telephone on which a dedicated application is installed and executed, can in particular display instructions, indications and values in real time for the user during the calibration.
  • the calibration can be based on tests similar to sports stress tests.
  • Calibration includes in particular at least two tests, during which the user is asked to maintain a constant 6’ cadence.
  • the control unit 19 adjusts the resistive torque TRes so that the power P supplied by the user is constant, at at least two different power values P1, P2.
  • the resistive torque TRes is inversely proportional to the rate, the product of the resistive torque and the rate TRes.6′ being equal to the power P, imposed on the value P1 or P2 by the control unit 19.
  • the points are then used to determine the value at the origin 60' and the slope of the graph of FIG. 5, in particular by linear interpolation. Additional tests at other power values P can be carried out, the straight line of the graph of FIG. 5 then being fitted to the points.
  • the operating mode previously described, with a set rate 0s' linearly increasing with the power developed, is suitable for the high values of power developed, which generally correspond to the high speeds V of the vehicle 1 .
  • control unit 19 is configured to apply a different mode of operation at low speeds of the vehicle 1. This embodiment is particularly indicated when said pedal 14 is used to control the speed of vehicle 1 .
  • FIG. 6 is a graph of the set rate 0s′ as a function of the speed V of the vehicle 1, in particular controlled by means of the pedal 14.
  • the horizontal axis of the speed V is separated into two domains / and II on either side of a threshold value V1.
  • the control unit 19 imposes a second operating mode, in which the control unit 19 imposes a setpoint rate 0s' that is linear and proportional to the speed V of the vehicle 1, starting from the origin O.
  • This linear setpoint rate 0s' is in particular obtained by linear interpolation between the origin O and the value of the setpoint speed at the threshold value V1 of the first mode of operation, at set rate 0s' depending linearly on the power.
  • the set rate ⁇ s′ increases linearly with the speed of the vehicle, along a straight line which joins, at the threshold value V1, the straight line of the first mode of operation.
  • the control unit then switches to the first operating mode adopted in the second speed range II, above above the threshold value V1, with a set rate 6s' increasing with the developed power P.
  • the rate 6' will vary little with the speed V.
  • the speed rate 6 ' is relatively independent of the speed V, and will depend in particular on the actions of the user: acceleration or deceleration of the rate 6', braking etc.
  • Said graph is represented here relatively flat and slightly increasing, corresponding to an acceleration at linearly increasing pedaling power P.
  • the user will mainly feel variations in the resistive torque ⁇ Res, the rate 6′ remaining in the previously mentioned restricted range, around 66 rpm, with a set rate 6′ linearly increasing with the power P.
  • Two plates corresponding to two power levels P1, P2 of the user are represented in figure 6.
  • the control unit 19 is configured in particular to: calculate the setpoint rate 6s' linearly increasing with the power developed P at a threshold value V1 of the speed of the vehicle 1, interpolate a setpoint rate 6s' between the origin O and the setpoint rate 6s' linearly increasing with the developed power P at a threshold value V1, apply the setpoint rate 6s' interpolated if the speed of vehicle 1 is lower than the threshold value V1 and the setpoint rate 6s' linearly increasing with the power developed P if the speed of vehicle 1 is greater than threshold value V1.
  • control unit 19 advantageously simulates a freewheel to a stop.
  • the user to decelerate, releases the pedals 141, which is materialized in figure 6 by a substantially vertical segment from the set speed 6s', up to the value 6.
  • the speed V of the vehicle 1 then decreases gradually.
  • the motor 7 no longer receives current from the battery 9, the user can apply the brakes or the vehicle 1 can be slowed down simply by the friction and possibly the slope of the terrain on which the vehicle 1 is traveling.
  • this is represented by a dotted segment, close to the abscissa axis, traversed from right to left over time: the pedals 141 do not rotate (zero cadence 6') while the speed V decreases.
  • the control unit 19 does not generate any resistive torque TRes.
  • the control unit 19 can impose a third mode of operation, in which it simulates, by means of the motor 7 and the feedback generator haptique 15, a fixed-gear bicycle also called a “fixie” (from the English “fixed gear bicycle”), without a freewheel.
  • the vehicle 1 is provided with longitudinal position sensors, for example the position sensors 35 of the wheel 31 .
  • the control unit 19 slaves the angular position of the pedals 141 of the crankset 14 to the longitudinal position of the vehicle 1 .
  • the set rate 6s' beyond which a rapidly increasing resistive torque TRes is exerted (similarly to FIG. 4) is then directly proportional to the variations in the angular position of the wheel 31, and therefore to the speed V of the vehicle.
  • crankset 141 includes sensors for cadence 6′ and/or speed V of the vehicle, controlling the cadence 6′ to the speed V of vehicle 1 is of course an obvious alternative for those skilled in the art.
  • the haptic feedback generator 15 includes means for exerting a motor torque on the pedal 14, it is possible to mutually slave the angular positions of the wheel 31 and the pedals 141 .
  • a movement of the wheel 31, for example under the effect of inertia or a slope, will then induce a proportional movement of the pedals 141, and a movement of the pedals 141 will induce a proportional movement of the wheel 31 .
  • the user by pedaling in the opposite direction, at a negative cadence, the user triggers a rotation of the wheel 31 in the direction inducing a reverse gear, as indicated in the graph 6'(V) of FIG. 6, which continues to the left and down from the origin.
  • the passenger will then have the impression of participating in the acceleration of vehicle 1 and of feeling its accelerations and decelerations while supplying additional current to charge battery 9 and power motor 3.
  • FIG. 7 illustrates another alternative embodiment in which the control unit 19 applies the “fixie” operating mode to a range of positive speeds V of the vehicle 1.
  • the control unit 19 adopts the "fixie" mode of operation, where the control unit 19 slaves the angular position of the pedals 141 of the crankset 14 to the longitudinal position of the vehicle 1.
  • the cadence is therefore proportional to the speed V of the vehicle 1, with a fixed proportionality factor (the ratio of the simulated fixed gear) .
  • the control unit 19 is configured in particular for:
  • the threshold value V1 (P) is therefore the point of intersection of the graphs of the two calculated setpoint rates 6s'.
  • Two plateaus corresponding to two power levels P1, P2 of the user are represented in figure 7. These two plateaus cross the line of the setpoint speed in “fixie” mode at two different threshold values V1 (P1) and V1 (P2 ), corresponding to switching between the different operating modes.
  • FIG. 8 is a graph of the target rate 6s′ as a function of the speed V of the vehicle 1 of a third embodiment.
  • the horizontal axis of the speed V of vehicle 1 is here divided into three domains I, II and III with two distinct threshold values, the lower threshold value V1 and the upper threshold value V2.
  • the first speed domain / covers speed values below the lower threshold value V1.
  • the second speed domain II covers the speed values V greater than the upper threshold value V2.
  • the third speed range III covers the speed values V between the lower threshold value V1 and the upper threshold value V2.
  • the control unit 19 is then configured to: compare the speed V of the vehicle 1 with the threshold values V1, V2, apply the third operating mode called "fixie" if the speed V of the vehicle 1 is less than or equal to the threshold value lower V1 (domain /); apply the first operating mode at setpoint rate 6s linearly increasing with the developed power P if the speed V of vehicle 1 is greater than or equal to the upper threshold value V2 (range //) and apply a "transition" operating mode when the speed V of the vehicle 1 is strictly greater than the lower threshold value V1 and strictly less than the upper threshold value V2 (range ///),.
  • control unit 19 is for example configured to: calculate a target rate projected at the threshold value V2 greater than the current developed power P; and define a set rate 6s' by interpolation on the speed V of the vehicle 1, between on the one hand the rate 6' corresponding to the lower threshold value V1 of the third "fixie" mode, and on the other hand the rate 6 of the first mode at the current power P at the upper threshold value V2.
  • the interpolation is in particular linear, but can alternatively be quadratic.
  • Two curves corresponding to operation at the setpoint rate depending linearly on the power P are represented in the domain above the upper value V2 (domain ///) at two values of power P1, P2 different, corresponding to plates at different heights.
  • freewheeling can again be simulated, at least in domains II and III corresponding to the "transition" operating modes and at a setpoint rate of 6s' which increases linearly with the developed power P.
  • freewheeling during deceleration, is adopted up to the lower threshold value V1 marking the return to operation in the third “fixie” mode.
  • V1 marking the return to operation in the third “fixie” mode.
  • the control unit 19 imposes a minimum rate.
  • the minimum cadence is equal to 6.
  • the minimum cadence is equal to the setpoint cadence 6s' imposed by the "fixie" mode » to the lower threshold value V1 .
  • the control unit 19 uses current from the battery 9 to exert a motor torque on the pedal 14. If the rate 6' is greater than the minimum set rate (dotted lines) but less than the set rate 6s' during acceleration (solid lines), no torque is exerted on the pedal 14, the user feels a freewheel.
  • the third "transition” mode then allows the user to switch between the two other modes ("fixie" and “at setpoint rate 6s' depending linearly on the power P") in a way that is little or not perceived, and with continuity in feelings.
  • a particular embodiment provides an operation in which the user U brakes by back-pedaling.
  • back-pedalling can only be performed over an amplitude less than or equal to one revolution.
  • the control unit 19 is then configured to detect the actuation in the opposite direction of the pedal 14 in order to trigger braking of the vehicle 1.
  • This braking can be achieved by a mechanical mechanism, such as disc brakes.
  • the braking is carried out by a resistive torque applied to the electric motor 7 of the vehicle 1 .
  • mechanical braking can be applied with resistive torque braking.
  • the control unit 19 can be configured to apply a fixed value braking or an increasing braking with the coaster angle applied to the crankset 14.
  • the haptic feedback generator 15 is advantageously configured to exert a resistive torque (opposed to back-pedaling, that is to say motor with the previous orientation) increasing in absolute value with the angular difference between the initial position at the start of back-pedaling and the current position of the pedals 141 .
  • This operating mode analogous to “Dutch” bicycles is particularly applicable during operations in zones II and III where a freewheel is simulated.
  • back-pedalling is associated with reversing the vehicle 1 .
  • a form of hysteresis is advantageous. Indeed, the "fixie" operating mode is indicated at low speed, for maneuvers for example.
  • the pedal 14 When returning to this mode of operation, the pedal 14 becomes a motor, due to the simulated direct coupling. If this return to the “fixie” mode of operation is carried out at too high a speed, the user U will feel said changeover to motor mode of the crankset 14 as a sudden jerk, which will harm driving comfort and the quality feeling of the vehicle.
  • the haptic feedback generator 15 exerts a resistive or driving torque corresponding to the "fixie" mode of the zone / in which the angular positions of the pedals 141 and the wheels 31 , 33 are coupled.
  • the initial operating mode will be “fixie” mode as long as user U is in zone /.
  • the “fixie” mode makes it possible to maneuver the vehicle 1 easily, with great precision in forward and reverse gear.
  • zone III (or II if no zone III is provided).
  • the transition to this different mode of operation, provided with a freewheel, is in particular transparent for the user U who is actively pedaling and therefore does not feel any change in the haptic feedback.
  • the mode of operation of zone III (or //) is, as previously mentioned, advantageous for traffic at high speed V.
  • the speed V decreases.
  • operation with a freewheel, corresponding to zone III or II is adopted up to a low speed V, located in the zone / close to zero or even zero.
  • the “fixie” mode is then again adopted, with low drive of the pedals 141 of the crankset 14 at said low speed V.
  • the user U can thus stop pedaling and feel a freewheel deceleration, that is to say without movement on his part, until the complete or almost complete stop of the vehicle 1 .
  • the "fixie" operating mode will have been adopted in an imperceptible or faintly perceptible way by the user U.
  • the braking power is proportional to the power developed in back-pedaling by the user. This mode of operation is simpler, but does not allow abrupt braking without effort from the user, and is therefore more suitable for use in a vehicle at relatively low speed (bicycle, pedal boat, etc.).
  • Figure 9 is a schematic representation of a stationary exercise machine 200 with pedals, of the exercise bike or elliptical type.
  • the exercise device 200 is in particular an exercise bike, comprising a base 201 in which the crankset 14 is incorporated, feet 203 for the support on the ground, a saddle 205 and handles 207.
  • the pedal 14 is then not used to control an electric motor 7 of the vehicle 1 .
  • the crankset 14 then comprises a control unit 19 imposing by means of a haptic feedback generator 15 a set rate 0s' linearly dependent on the developed power P essentially for regulating the rate 0'.
  • crankset 14 according to the invention and the process for regulating the cadence implemented by the control unit 19 of said crankset 14 make it possible to make pedaling at high power comfortable.
  • the sustained effort represented by this high power can then be maintained for longer, and the benefits associated with the exercise are increased.
  • driving a vehicle 1 driven at speed V by means of a pedal 14 is made more pleasant, especially when a high speed V of the vehicle 1 must be maintained by a significant effort on the pedal 14 for long periods.

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Abstract

L'invention se rapporte à un pédalier, comprenant un générateur de retour haptique (15) connecté au pédalier (14) et configuré pour délivrer un couple résistif sur le pédalier (14); caractérisé en ce qu'une unité de contrôle haptique (19) régule la cadence de consigne en estimant une puissance appliquée sur le pédalier (14) par sa mise en rotation et en diminuant ou augmentant la cadence de consigne de sorte que ladite cadence de consigne augmente avec la puissance appliquée sur le pédalier (14).

Description

Description Titre de l'invention : PÉDALIER À GÉNÉRATEUR DE RETOUR HAPTIQUE
Domaine Technique
La présente invention se rapporte à un pédalier comportant un générateur de retour haptique permettant le contrôle de la cinématique, par régulation d’un retour haptique spécifique. Un tel pédalier peut équiper des appareils d’exercice fixes à pédalier ou des véhicules à propulsion électrique, tels que les vélos ou les cycles, et en particulier les vélomobiles à châssis fermé ou semi-fermé.
Ainsi, l’invention concerne le domaine technique du transport terrestre et peut être mise en œuvre pour des véhicules de loisir, de sport ou utilitaires, par exemple pour des véhicules de livraison.
Le pédalier selon l’invention peut aussi être utilisé dans le domaine de l’exercice physique dans un appareil d’exercice à pédalier de type vélo d’appartement ou vélo elliptique.
Art Antérieur
Les vélomobiles sont des véhicules hybrides, combinant des aspects d’une voiture de petite taille et ceux d’un vélo couché. Ce sont des véhicules pressentis pour remplacer les voitures individuelles dans les zones urbaines. Les vélomobiles représentent une alternative bien plus économique et écologique à la voiture électrique.
En effet, les cycles de type vélomobile sont des véhicules de taille réduite, et donc relativement légers. On peut notamment distinguer d’une part les vélomobiles de poids et volume faibles, qui s’apparentent essentiellement à un vélo couché équipés d’une carrosserie, et d’autre part des vélomobiles de poids et volume plus importants, se rapprochant de la voiture de petite taille.
Les vélomobiles de poids et volume faible peuvent peser moins de 50 kg, typiquement entre 30 et 50 kg. Ces vélomobiles peuvent être soit à propulsion exclusivement musculaire, soit comporter une assistance électrique, notamment pour l’aide en montée. La puissance de l’assistance électrique s’élève à quelques centaines de Watts, typiquement 200 à 300 W. Leur vitesse est relativement faible, inférieure ou proche de 25 km/h. Ces vélomobiles sont prévus pour emprunter les pistes et voies réservées aux cycles.
Les vélomobiles de poids et volume importants pèsent généralement plusieurs centaines de kilogrammes. La propulsion de ces vélomobiles se fait de façon préférentiellement électrique, leur pédalier n’étant alors présent que pour le contrôle de l’accélération et éventuellement pour la recharge d’une batterie alimentant le moteur électrique du vélomobile. La propulsion électrique se fait au moyen d’un ou plusieurs moteurs avec une puissance totale de plusieurs kilowatts. Leur vitesse est relativement élevée, la plupart des modèles étant conçus pour circuler à 80- 120km/h. Ces vélomobiles circulent sur les voies automobiles, comme une automobile classique.
Le document EP3154815 décrit par exemple un tel véhicule.
La légèreté de ces vélomobiles leur permet, à poids d’emport de batteries égal, d’avoir une plus grande autonomie par rapport à une voiture électrique.
Le contrôle de la vitesse peut être effectué par le conducteur au moyen du pédalier. La consigne appliquée au moteur de propulsion est par exemple fonction de la cadence de rotation du pédalier, et elle est déterminée afin que le moteur accélère la rotation de la roue par le couple moteur qu’il génère.
Le mécanisme interne du pédalier exerce généralement un couple résistif, sensiblement opposé au couple exercé par l’utilisateur.
On connaît des documents EP3408168 et EP1165188 des procédés de contrôle du moteur électrique reposant sur la modélisation d’une inertie, modélisant l’accélération avec, par exemple, la prise en compte d’un volant d’inertie prédéterminé ou le comportement d’un pédalier mécanique usuel de bicyclette.
Ces dispositifs ne sont notamment pas adaptés au pilotage de véhicules type vélomobile circulant à haute vitesse, du fait qu’ils exigent soit une cadence de pédalage élevée qui est ressentie comme désagréable soit un nombre de rapports élevé impliquant une transmission et une utilisation complexes.
Ces dispositifs génèrent une accélération du véhicule et un couple de résistance proportionnels à l’accélération exercée par l’utilisateur sur le pédalier, et proposent la modélisation d’une inertie de référence correspondant à des pédaliers et cycles connus, avec un étalement des valeurs de vitesse de véhicule piloté permettant d’atteindre des vitesses élevées.
L’accélération sur le pédalier est calculée par double dérivation temporelle, ce qui implique des calculs compliqués et consommateurs de temps de calcul, et notamment reposant sur une cadence mesurée à haute fréquence et/ou sur une plage temporelle importante.
Il en résulte qu’il faut surdimensionner la puissance de calcul de l’unité de contrôle sans quoi un décalage entre les variations de la cadence de pédalage et les variations du couple résistif est constaté et ressenti par l’utilisateur.
Les alternatives existantes nécessitent de recourir à des capteurs de vitesse directe ou d’accélération. Ces capteurs sont de complexité et donc de coût plus important si l’on souhaite qu’ils aient un temps de réponse compatible avec la faible inertie recherchée.
Le même problème est constaté sur les appareils d’entraînement de type vélo d’appartement ou vélo elliptique utilisant un couple résistif contrôlé en fonction de l’accélération, comme le suggèrent les documents EP3408168 et EP1165188, avec les mêmes problèmes de décalage pouvant être ressenti entre l’action sur le pédalier et la variation de couple résistif correspondant à ladite action.
Le problème technique de l’invention est donc de permettre un ajustement dynamique et continu de la cadence de pédalage, correspondant à ladite action, et notamment de rendre soutenable le pédalage à haute puissance.
Exposé de l’invention
Afin de répondre à ce problème technique, l’invention propose de ne pas recourir à une modélisation complexe de pédaliers mécaniques connus mais d’utiliser une cadence de consigne basée sur la puissance développée par l’utilisateur pour générer le couple résistif.
Pour ce faire l’invention propose un pédalier comprenant : des moyens d’estimation de cadence de rotation du pédalier ; un générateur de retour haptique connecté au pédalier et configuré pour délivrer un couple résistif sur le pédalier ; et une unité de contrôle connectée au générateur de retour haptique et aux moyens d’estimation de cadence de rotation du pédalier, configurée pour asservir la cadence de rotation du pédalier à une cadence de consigne en modifiant le couple résistif.
Un tel pédalier comporte une régulation de la cadence de pédalage par le couple, qui correspond à un comportement relativement proche du comportement d’un cycle de type vélo ou vélomobile à propulsion musculaire.
L'unité de contrôle régule la cadence de consigne en estimant une puissance appliquée sur le pédalier par sa mise en rotation et en diminuant ou augmentant la cadence de consigne de sorte que ladite cadence de consigne augmente avec la puissance appliquée sur le pédalier.
Le pilotage de la cadence de pédalage est alors effectué par simple comparaison à une valeur de consigne et estimation de la puissance de pédalage, sans aucune considération d’accélération et donc de double dérivée temporelle.
La puissance de calcul et la fenêtre de mesures de position ou de cadence de rotation du pédalier peuvent être réduites, et le retour haptique est quasi immédiat et procure une sensation plus agréable, en ce sens qu'il s'apparente à celui observé sur un vélo mécanique traditionnel. Notamment, la cadence de consigne, augmentant avec la puissance fournie au pédalier, assure que le pédalage reste agréable à haute puissance.
En outre, le déposant a découvert, sur la base de nombreuses études propres, que le pédalage n’est agréable et naturel pour le corps humain que dans un domaine de cadence de pédalage réduit, de quelques unités autour de 60 tours par minute et augmentant légèrement lorsque l’effort devient plus important en termes de puissance de pédalage développée par l’utilisateur.
Aussi, l’invention propose que la cadence de consigne dépende linéairement de la puissance.
Plus particulièrement, la cadence de consigne dépend linéairement de la puissance avec une pente comprise entre 0.05 et 0.25 tours par minute par watt, plus particulièrement de 0.08 à 0.15 tours par minute par watt, et plus particulièrement autour de 0.10 tours par minute par watt. Ces valeurs permettent de maintenir une cadence ressentie comme confortable, sur une large gamme de puissances développées par l’utilisateur au niveau du pédalier.
Selon un mode de réalisation particulier, le pédalier comporte des moyens de réglage de la cadence à l’origine.
Un utilisateur peut alors adapter continuellement les paramètres du retour haptique, par exemple si la cadence imposée par le pédalier est trop faible ou trop élevée sur une plage de puissance de pédalage.
Selon un autre mode de réalisation, l’unité de contrôle est configurée pour déterminer les paramètres de la cadence de consigne tels que la pente et l’ordonnée à l’origine de la cadence de consigne à l’origine lors d’un étalonnage.
Le retour haptique par modulation du couple résistif peut alors être adapté spécifiquement à chaque utilisateur, notamment par le stockage dans une mémoire électronique ou informatique de plusieurs profils ayant chacun un réglage adapté à un utilisateur.
Le pédalier peut en particulier être réalisé sous forme de machine électrique réversible, comportant un mode de fonctionnement générateur, dans lequel une charge électrique contrôlée par l’unité de contrôle forme le générateur de retour haptique.
Le pédalier ne nécessite alors pas de système mécanique dédié au couple résistif.
Le courant électrique généré en mode de fonctionnement générateur peut notamment être utilisé pour charger une batterie électrique, ou alimenter tout appareil électrique, comme par exemple un téléphone portable.
L’énergie dissipée au niveau du pédalier lors du freinage par le couple résistif peut alors être récupérée et restituée, par exemple pour un moteur électrique contrôlé au moyen du pédalier, ou à un chargeur d’appareil tel qu’un téléphone par exemple.
La machine électrique réversible peut comporter un mode de fonctionnement moteur, dans lequel du courant électrique d’une batterie électrique est utilisé pour générer un couple moteur sur le pédalier.
Le couple résistif peut alors être rendu moteur, et ainsi servir à générer un effet d’entraînement des pédales par exemple pour simuler une descente, où les roues seraient entraînées et entraîneraient en retour les pédales. L’invention concerne aussi un véhicule à propulsion électrique comportant un pédalier tel que décrit plus haut, ledit pédalier étant utilisé pour piloter la propulsion électrique du véhicule.
L’unité de contrôle peut alors être configurée pour :
- calculer la cadence de consigne linéairement croissante avec la puissance développée à une valeur seuil de vitesse du véhicule,
- interpoler une cadence de consigne entre l’origine et la cadence de consigne linéairement croissante avec la puissance développée à une valeur seuil,
- appliquer la cadence de consigne interpolée si la vitesse du véhicule est inférieure à la valeur seuil et la cadence de consigne linéairement croissante avec la puissance développée si la vitesse du véhicule est supérieure à la valeur seuil.
Si le véhicule comporte en outre un capteur de position longitudinale du véhicule, l’unité de contrôle peut comporter un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la position angulaire du pédalier est asservie à la position longitudinale du véhicule.
Le pédalier se caractérise alors en ce que l’unité de contrôle comporte un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la position angulaire du pédalier est asservie à la position longitudinale du véhicule.
Ce mode de fonctionnement permet notamment de mieux contrôler et ressentir les variations de position longitudinale du véhicule, notamment à faible vitesse, en donnant l’impression d’utiliser un vélo à rapport fixe, dit « fixie » en anglais (de « fixed gear bicycle »).
Pour ce faire, l’unité de contrôle est configurée pour :
- calculer la cadence de consigne en mode de fonctionnement où l’unité de contrôle asservit la position angulaire des pédales du pédalier à la position longitudinale du véhicule,
- calculer la cadence de consigne linéairement croissante avec la puissance développée,
- appliquer la plus petite des deux cadences de consigne à la vitesse du véhicule.
Le fonctionnement bascule alors automatiquement et sans à-coups entre les deux modes de façon transparente pour l’utilisateur. L’unité de contrôle peut en outre être configurée pour :
- comparer la vitesse du véhicule à deux valeurs seuil distinctes, avec une valeur seuil inférieure et une valeur seuil supérieure ;
- appliquer le deuxième mode de fonctionnement si la vitesse du véhicule est inférieure ou égale à la valeur seuil inférieure ;
- appliquer le premier mode de fonctionnement si la vitesse du véhicule est supérieure ou égale à la valeur seuil supérieure ; et
- appliquer un troisième mode de fonctionnement, lorsque la vitesse du véhicule est strictement supérieure à la valeur seuil inférieure et strictement inférieure à la valeur seuil supérieure, le troisième mode de fonctionnement permettant d’assurer la continuité de la cadence en fonction de la vitesse du véhicule entre le premier et le second mode de fonctionnement.
Ce troisième mode de fonctionnement de transition permet alors de rendre le basculement d’un mode de fonctionnement à l’autre de façon continue et confortable pour l’utilisateur.
Dans le troisième mode de fonctionnement, l’unité de contrôle est configurée selon un mode de réalisation particulier pour : calculer une cadence de consigne projetée à la valeur seuil supérieure à la puissance actuelle; définir une cadence de consigne par interpolation en fonction de la vitesse du véhicule, entre d’une part la cadence correspondant à la valeur seuil inférieure du deuxième mode, et d’autre part la cadence du premier mode à la valeur seuil supérieure.
L’interpolation permet d’obtenir un raccord entre les vitesses de consigne entre les deux modes de façon simple.
L’unité de contrôle peut être configurée pour détecter l’actionnement en sens inverse du pédalier et déclencher un mécanisme de freinage lorsqu’un rétropédalage est détecté.
Ainsi aucune commande dédiée de frein n’est requise, le freinage s’effectuant par actionnement en sens inverse du pédalier par l’utilisateur. Enfin, l’invention peut également s’appliquer à tout type d’appareil équipé d’un pédalier, et notamment à un appareil d’exercice fixe à pédalier, de type vélo d’appartement ou vélo elliptique.
Brève description des figures
L’invention sera bien comprise à la lecture de la description qui suit, dont les détails sont donnés uniquement à titre d’exemple, et développée en relation avec les figures annexées, dans lesquelles des références identiques se rapportent à des éléments identiques :
[Fig. 1] est une vue de côté d’un véhicule selon un mode de réalisation particulier de l’invention ;
[Fig. 2] est une vue en coupe longitudinale du véhicule de la figure 1 ;
[Fig. 3] est une représentation schématique du pédalier du véhicule de la figure 1 et des éléments interagissant avec ledit pédalier lors de la conduite ;
[Fig. 4] est un graphe de la cadence de pédalage de consigne en fonction de la puissance développée par l’utilisateur,
[Fig. 5] est un graphe du couple résistif exercé sur le pédalier en fonction de la cadence de pédalage,
[Fig. 6] est un graphe de la cadence de consigne en fonction de la vitesse d’un véhicule contrôlé par le pédalier,
[Fig. 7] est un graphe de la cadence de consigne en fonction de la vitesse du véhicule dans un mode de réalisation alternatif,
[Fig. 8] est un graphe de la cadence de consigne en fonction de la vitesse du véhicule dans un autre mode de réalisation alternatif, et
[Fig. 9] est une représentation schématique d’un appareil d’exercice fixe comportant un pédalier selon l’invention.
Description détaillée de l’invention
La figure 1 est une vue de côté d’un véhicule 1 de type vélomobile selon l’invention. Le véhicule 1 comprend un habitacle 10, comportant une carrosserie fermant l’habitacle 10. L’habitacle 10 présente une forme générale semblable à celle d’une voiture monoplace, avec des portières latérales 11 et des fenêtres 12.
Le véhicule 1 comporte des roues 31 , 33, au nombre de trois, avec une roue arrière 31 motrice et deux roues 33 avant directrices (seule une des deux roues avant 33 est visible). D’autres modes de réalisation peuvent utiliser deux ou quatre roues. En outre, une ou deux roues avant peuvent être motrices en supplément ou en alternative à la motricité d’une ou plusieurs roues arrière.
La figure 2 est une vue en coupe du véhicule de la figure 1 . En figure 2 apparaît notamment l’intérieur de l’habitacle 10.
La roue arrière 31 est reliée à un dispositif d’entraînement 5 tel qu’une courroie, une chaîne ou un engrenage. Le dispositif d’entraînement 5 est relié à son tour à un moteur électrique 7 qui met en mouvement la roue arrière 31 , à partir d’une énergie électrique stockée dans des batteries 9, situées dans un plancher de l’habitacle 10 dans l’exemple de la figure 2.
Le dispositif d’entraînement 5 peut notamment comporter un boîtier de vitesses.
Le rechargement d’au moins une partie de l’énergie électrique stockée dans les batteries 9 est obtenue au moyen d’un pédalier 14.
Le pédalier 14 est représenté en figure 3 séparément, avec le moteur électrique 7, le dispositif d’entraînement 5 et la roue arrière 31 motrice.
Le pédalier 14 comporte des pédales 141 , sur lesquelles l’utilisateur appuie au moyen de ses pieds et jambes pour leurs mouvements. Un générateur de retour haptique 15 est relié au pédalier 14, voire est intégré dans celui-ci. Ce générateur de retour haptique 15 génère un couple généralement résistif sur le pédalier 14. Dans certains modes de réalisation particuliers, ce générateur de retour haptique 15 peut être moteur.
Le pédalier 14 se présente avantageusement sous forme d’une machine électrique réversible, en particulier à courant continu, comportant un mode de fonctionnement générateur, dans lequel une charge électrique contrôlée forme le générateur de retour haptique 15. Le pédalier 14 peut, dans son fonctionnement en mode générateur, convertir au moins une partie de l’énergie mécanique fournie par l’utilisateur en énergie électrique stockée dans la batterie 9 pour être restituée plus tard sous forme d’accélération des roues 31 , 33 au moyen du moteur électrique 7.
D’autres moyens de générer le couple résistif peuvent par exemple être obtenus en réalisant un dispositif dédié de freinage, par exemple mécanique à friction, ou bien un moteur électrique dédié peut être utilisé, l’action dudit moteur électrique dédié étant opposée à celle de l’utilisateur au niveau du pédalier 14.
Le pédalier 14 comporte aussi des moyens d’estimation de la cadence de rotation 143 du pédalier 14, par exemple au moyen d’un ou plusieurs capteurs de position angulaire des pédales 141 avec un dérivateur temporel simple.
La figure 3 est une représentation schématique des éléments du véhicule intervenant dans le procédé de régulation selon l’invention.
Lesdits éléments comprennent : le pédalier 14, le générateur de retour haptique 15, le moteur électrique 7, le dispositif d’entraînement 5, des moyens d’estimation de la cadence de rotation du pédalier 14, c’est-à-dire les moyens d’estimation de la cadence de rotation 143, par exemple les capteurs de position des pédales 141 dans l’exemple de la figure 3, la batterie 9 et une unité de contrôle 19, reliée à un dispositif régulateur de courant 17 disposé entre la batterie 9 et le moteur électrique 7.
Le moteur électrique 7 délivre sa puissance mécanique à la roue 31 via le dispositif d’entraînement 5. La roue 31 comporte des capteurs de position 35 de la roue 31 . Les capteurs de position 35 sont reliés électroniquement à l’unité de contrôle 19, et peuvent notamment servir à déterminer un blocage ou glissement de la roue 31 .
L’unité de contrôle 19 est par exemple réalisée sous forme d’un processeur relié à une mémoire programmable, et comporte des moyens d’actionnement de différents éléments électriques et électroniques au moyen de transistors et de commutateurs pilotés.
L’unité de contrôle 19 exerce notamment un asservissement de la cadence du pédalier 14 à une cadence de consigne. La rétroaction dans cet asservissement est générée par le générateur de retour haptique 15 lui-même contrôlé par l’unité de contrôle 19.
Ainsi, selon cet asservissement, si la cadence du pédalier 14, mesurée au moyen des capteurs de position 143 des pédales 141 , dépasse la cadence de consigne, l’unité de contrôle 19 augmente le couple résistif exercé par le générateur de retour haptique 15 sur le pédalier 14. A l’inverse, si la cadence de rotation du pédalier 14 mesurée est inférieure à la cadence de consigne, l’unité de contrôle 19 diminue le couple résistif exercé par le générateur de retour haptique 15 sur le pédalier 14.
En modifiant le couple résistif, l’unité de contrôle augmente ou diminue la résistance ressentie par l’utilisateur, ce qui modifie ensuite la cadence.
La figure 4 est un graphe du couple résistif ÏRes en fonction de la cadence de pédalage 0’. Le couple résistif ÏRes est notamment bas, idéalement nul, jusqu’à une valeur seuil 0s’ qui est la cadence de consigne. Au-delà de la cadence de consigne 0s’ le couple résistif augmente linéairement avec une pente la plus raide possible, idéalement verticale correspondant à une augmentation en marche d’escalier, d’une valeur faible idéalement nulle à une valeur la plus importante possible, correspondant au couple maximal délivrable.
À une cadence inférieure à la valeur seuil 0s’, un fonctionnement en roue libre est simulé. À une cadence supérieure à la valeur seuil 0s’, l’utilisateur ressent une opposition forte à toute augmentation de cadence, simulant une accélération avec inertie d’un véhicule ressentie comme grande, idéalement infinie (pente de couple TRes verticale). Au-delà de la valeur seuil 0s’, l’augmentation de la cadence de pédalage est principalement gouvernée par l’augmentation, par l’unité de contrôle 19, de la valeur seuil 0s’ formant la cadence de consigne.
Si le pédalier 14 peut fonctionner en moteur, le couple résistif TRes peut être négatif (c’est-à-dire moteur) lorsque la cadence est inférieure à la valeur seuil 0s’. Dans ce mode de réalisation, un couple moteur exercé par les imperfections de roue libre est simulé. En effet, dans une roue libre imparfaite on observe, du fait de frottements et d’un découplage imparfait, un entraînement en retour des pédales 141 par la roue 31 , i.e. un couple légèrement moteur.
L’invention prévoit donc que la cadence de consigne 0s’ varie en fonction de la puissance P développée par la rotation du pédalage, c’est-à-dire la puissance fournie par l’utilisateur. Plus particulièrement, l’invention prévoit que l’unité de contrôle 19 procède, par exemple de façon itérative, aux étapes suivantes : estimation d’une puissance P fournie par la rotation du pédalier 14 ; et diminution ou augmentation de la cadence de consigne 6s’ prédéterminée de sorte que la cadence de consigne 6s’ augmente avec la puissance fournie par la rotation du pédalier 14.
En effet, le demandeur a constaté que le pédalage, pour être agréable et donc soutenu sur la longueur, doit rester dans un domaine de cadence autour de 66 tours par minute (rpm ou « rotations per minute » en anglais), typiquement entre 56 et 76 rpm, plus particulièrement entre 55 et 65 rpm.
Lorsque l’effort devient plus important, c’est-à-dire que la puissance développée devient plus importante, il est avantageux de légèrement augmenter la cadence en parallèle à l’augmentation du couple résistif TRes.
La puissance P peut notamment être estimée par calcul du produit de la cadence 6’ et du couple résistif TRes (P = ô’.TRes). En alternative, si le générateur de retour haptique 15 est une charge électrique contrôlée, une estimation directe peut permettre d’estimer la puissance P développée par le pédalage. Par exemple, cette estimation peut être obtenue par des capteurs de courant et de tension de sorte à calculer la puissance électrique dissipée par la charge électrique.
La puissance développée par un cycliste est comprise entre 6 et quelques centaines de watts. Un cycliste confirmé peut développer jusqu’à 466 watts. Un cycliste moyen voire peu entraîné pourra développer jusqu’à 266 à 256 watts.
On entend donc par valeurs de puissance faibles ou peu élevées des valeurs inférieures à la centaine de watts, tandis qu’on entend par valeurs de puissance hautes ou élevées des valeurs supérieures à 156 à 266 watts voire plus lorsque l’utilisateur est un cycliste confirmé.
La figure 5 est un graphe de la cadence de consigne 6s’ en fonction de la puissance P.
La cadence de consigne 6s’ augmente avec la puissance P, par exemple de façon linéaire. Le graphe de la cadence de consigne 6s’(P) est notamment une droite, partant d’une valeur à l’origine 6o’ correspondant à une cadence à vide, sans couple résistif, et ayant une pente positive comprise entre 0.05 et 0.25 rpm par watt, en particulier de 0.08 à 0.15 rpm par watt, et plus particulièrement autour de 0.10 rpm par watt.
La valeur à l’origine Oo’ et la pente positive sont généralement variables d’un utilisateur à un autre en fonction de leurs capacités sportives notamment. Il est possible d’utiliser une mémoire électronique pour stocker plusieurs profils, comportant chacun une valeur à l’origine Oo’ et une valeur de pente, l’utilisateur pouvant choisir parmi ces profils.
Ces profils peuvent soit être directement choisis par l’utilisateur dans un menu sur une interface parmi des profils préexistants, ou bien ces profils peuvent être réglés et personnalisés puis mémorisés pour chaque utilisateur.
Selon un mode de réalisation particulier, les paramètres de la cadence de consigne 6s’ tels que l’ordonnée à l’origine 6o’ et la pente, sont déterminés par une étape préliminaire d’étalonnage. Une interface, par exemple un écran dédié ou un terminal tel qu’un téléphone sur lequel une application dédiée est installée et exécutée, peut notamment afficher des instructions, indications et valeurs en temps réel pour l’utilisateur pendant l’étalonnage.
Par exemple, lors d’une initialisation, ou sur une requête de l’utilisateur, l’étalonnage peut reposer sur des tests semblables aux tests d’effort sportifs.
L’étalonnage comporte notamment au moins deux tests, lors desquels l’utilisateur est invité à maintenir une cadence 6’ constante. L’unité de contrôle 19, lors de ces tests, ajuste le couple résistif TRes pour que la puissance P fournie par l’utilisateur soit constante, à au moins deux valeurs de puissance différentes P1 , P2. Notamment, le couple résistif TRes est inversement proportionnel à la cadence, le produit du couple résistif et de la cadence TRes.6’ étant égal à la puissance P, imposée à la valeur P1 ou P2 par l’unité de contrôle 19.
L’utilisateur, en maintenant une cadence de pédalage 6’ constante, adopte alors naturellement la cadence 6’ idéale pour lui à la puissance P1 ou P2 considérée.
Les points, avec pour coordonnées la valeur de puissance P1 ou P2 et la cadence de pédalage 6’ idéale correspondante servent alors à déterminer la valeur à l’origine 60’ et la pente du graphe de la figure 5, notamment par interpolation linéaire. Des tests supplémentaires à d’autres valeurs de puissance P peuvent être effectués, la droite du graphe de la figure 5 étant alors ajustée aux points.
Le mode de fonctionnement précédemment décrit, avec une cadence de consigne 0s’ linéairement croissante avec la puissance développée, est adapté pour les hautes valeurs de puissance développée, qui correspondent généralement aux hautes vitesses V du véhicule 1 .
En particulier, d’autres formes de graphe de la cadence de consigne 0s’ qu’une simple droite peuvent être adoptées : segments mis bout à bout, courbe aplanie etc. Tant que la cadence de consigne 0s’ augmente légèrement, en restant dans le domaine de cadence mentionné, avec la puissance développée estimée, le pédalage reste agréable et peut être soutenu dans le temps même à haute puissance.
Selon un mode de réalisation, l’unité de contrôle 19 est configurée pour appliquer un mode de fonctionnement différent aux basses vitesses du véhicule 1 . Ce mode de réalisation est particulièrement indiqué lorsque ledit pédalier 14 est utilisé pour piloter la vitesse du véhicule 1 .
La figure 6 est un graphe de la cadence de consigne 0s’ en fonction de la vitesse V du véhicule 1 , notamment piloté au moyen du pédalier 14.
L’axe horizontal de la vitesse V est séparé en deux domaines / et II de part et d’autre d’une valeur seuil V1 .
Aux valeurs de vitesse V inférieures à la valeur seuil V1 , dans le premier domaine /, l’unité de contrôle 19 impose un deuxième mode de fonctionnement, dans lequel l’unité de contrôle 19 impose une cadence de consigne 0s’ linéaire et proportionnelle à la vitesse V du véhicule 1 , partant de l’origine O. Cette cadence de consigne 0s’ linéaire est en particulier obtenue par interpolation linéaire entre l’origine O et la valeur de la vitesse de consigne à la valeur seuil V1 du premier mode de fonctionnement, à cadence de consigne 0s’ dépendant linéairement de la puissance.
Lors d’une accélération, la cadence de consigne 0s’ croît linéairement avec la vitesse du véhicule, selon une droite qui rejoint, à la valeur seuil V1 la droite du premier mode de fonctionnement. L’unité de contrôle bascule alors vers le premier mode de fonctionnement adopté dans le deuxième domaine II de vitesses, au- dessus de la valeur seuil V1 , avec une cadence de consigne 6s’ croissante avec la puissance développée P.
Lors du fonctionnement en premier mode, à cadence de consigne 6s’ linéairement croissante avec la puissance développée P, la cadence 6’ variera peu avec la vitesse V. Dans le deuxième domaine II des valeurs supérieures à la valeur seuil V1 , la cadence vitesse 6’ est relativement indépendante de la vitesse V, et dépendra notamment des actions de l’utilisateur : accélération ou décélération de la cadence 6’, freinage etc.
Ledit graphe est ici représenté relativement plat et légèrement croissant, correspondant à une accélération à puissance P de pédalage linéairement croissante. Dans ce deuxième domaine II de vitesses V, l’utilisateur ressentira principalement des variations du couple résistif ÏRes, la cadence 6’ restant dans le domaine restreint précédemment mentionné, autour de 66 rpm, avec une cadence de consigne 6’ linéairement croissante avec la puissance P. Deux plateaux correspondant à deux niveaux de puissance P1 , P2 de l’utilisateur sont représentés en figure 6.
L’unité de contrôle 19 est notamment configurée pour : calculer la cadence de consigne 6s’ linéairement croissante avec la puissance développée P à une valeur seuil V1 de vitesse du véhicule 1 , interpoler une cadence de consigne 6s’ entre l’origine O et la cadence de consigne 6s’ linéairement croissante avec la puissance développée P à une valeur seuil V1 , appliquer la cadence de consigne 6s’ interpolée si la vitesse du véhicule 1 est inférieure à la valeur seuil V1 et la cadence de consigne 6s’ linéairement croissante avec la puissance développée P si la vitesse du véhicule 1 est supérieure à la valeur seuil V1 .
Lors d’une décélération, représentée en pointillés dans la figure 6, l’unité de contrôle 19 simule avantageusement une roue-libre jusqu’à l’arrêt.
L’utilisateur, pour décélérer, relâche les pédales 141 , ce qui est matérialisé en figure 6 par un segment sensiblement vertical à partir de la vitesse de consigne 6s’, jusqu’à la valeur 6.
La vitesse V du véhicule 1 décroît alors progressivement. Le moteur 7 ne reçoit plus de courant de la batterie 9, l’utilisateur peut actionner des freins ou le véhicule 1 peut être ralenti simplement par les frottements et éventuellement la pente du terrain sur lequel le véhicule 1 circule. En figure 6, cela est représenté par un segment en pointillés, proche de l’axe des abscisses, parcouru de droite à gauche au cours du temps : les pédales 141 ne tournent pas (cadence 6’ nulle) tandis que la vitesse V décroît.
A tout moment, l’utilisateur peut reprendre le pédalage, mais tant qu’il sera à une cadence 6’ inférieure à la cadence de consigne 6s’, l’unité de contrôle 19 ne génère aucun couple résistif TRes.
Pour les vitesses V négatives et avec une rotation des pédales 141 inverse, donc à cadence 6’ négative, l’unité de contrôle 19 peut imposer un troisième mode de fonctionnement, dans lequel elle simule, au moyen du moteur 7 et du générateur de retour haptique 15, un vélo à engrenage fixe aussi appelé « fixie » (de l’anglais « fixed gear bicycle »), dépourvu de roue libre.
Pour ce faire, le véhicule 1 est pourvu de capteurs de position longitudinale, par exemple les capteurs de position 35 de la roue 31 .
Dans le mode de fonctionnement « fixie », l’unité de contrôle 19 asservit la position angulaire des pédales 141 du pédalier 14 à la position longitudinale du véhicule 1 . Notamment, la cadence de consigne 6s’ au-delà de laquelle un couple résistif TRes rapidement croissant est exercé (de façon analogue à la figure 4) est alors directement proportionnelle aux variations de la position angulaire de la roue 31 , et donc à la vitesse V du véhicule.
Si le pédalier 141 comporte des capteurs de cadence 6’ et/ou de vitesse V du véhicule, un asservissement de la cadence 6’ à la vitesse V du véhicule 1 est bien- sûr une alternative évidente pour l’homme du métier.
Si le générateur de retour haptique 15 comporte des moyens d’exercer un couple moteur sur le pédalier 14, il est possible d’asservir mutuellement les positions angulaires de la roue 31 et des pédales 141 .
Un déplacement de la roue 31 , par exemple sous l’effet de l’inertie ou d’une pente, induira alors un mouvement proportionnel des pédales 141 , et un mouvement des pédales 141 induira un déplacement proportionnel de la roue 31 . Notamment, en pédalant en sens inverse, à cadence négative, l’utilisateur déclenche une rotation de la roue 31 dans le sens induisant une marche arrière, comme indiqué sur le graphe 6’(V) de la figure 6, qui continue à gauche et en bas de l’origine.
Il est alors possible, dans le cas d’un véhicule 1 ayant plusieurs places avec chacune leur pédalier 14, de partager la vitesse de consigne 6s’ du conducteur, avec le pédalier 14 du passager. Un ajustement de la vitesse de consigne 6s’ au profil du passager peut être effectuée pour améliorer son ressenti.
Notamment, le passager aura alors l’impression de participer à l’accélération du véhicule 1 et de ressentir ses accélérations et décélérations tout en fournissant du courant supplémentaire pour charger la batterie 9 et alimenter le moteur 3.
La figure 7 illustre un autre mode de réalisation alternatif dans lequel l’unité de contrôle 19 applique le mode de fonctionnement « fixie » sur un domaine de vitesses V du véhicule 1 positives.
Aux vitesses V faibles, en particulier inférieures à une valeur seuil V1 (P) dépendante de la puissance développée, l’unité de contrôle 19 adopte le mode de fonctionnement « fixie », où l’unité de contrôle 19 asservit la position angulaire des pédales 141 du pédalier 14 à la position longitudinale du véhicule 1. Dans ce mode de fonctionnement “fixie”, la cadence est donc proportionnelle à la vitesse V du véhicule 1 , avec un facteur de proportionnalité fixe (le rapport de l’engrenage fixe simulé).
L’unité de contrôle 19 est notamment configurée pour :
- calculer la cadence de consigne 6s’ en mode de fonctionnement « fixie »,
- calculer la cadence de consigne 6s’ linéairement croissante avec la puissance développée P,
- appliquer la plus petite des deux cadences de consigne 6s’ à la vitesse V du véhicule 1 considérée.
La valeur seuil V1 (P) est donc le point d’intersection des graphes des deux cadences de consigne calculées 6s’. Deux plateaux correspondant à deux niveaux de puissance P1 , P2 de l’utilisateur sont représentés en figure 7. Ces deux plateaux croisent la droite de la vitesse de consigne en mode “fixie” à deux valeurs seuil différentes V1 (P1 ) et V1 (P2), correspondant au basculement entre les modes de fonctionnement différents. La figure 8 est un graphe de la cadence de consigne 6s’ en fonction de la vitesse V du véhicule 1 d’un troisième mode de réalisation.
L’axe horizontal de la vitesse V du véhicule 1 est ici divisé en trois domaines I, Il et III avec deux valeurs seuil distinctes, la valeur seuil inférieure V1 et la valeur seuil supérieure V2.
Le premier domaine de vitesse / couvre les valeurs de vitesse inférieures à la valeur seuil inférieure V1 . Le deuxième domaine de vitesse II couvre les valeurs de vitesse V supérieures à la valeur seuil supérieure V2. Le troisième domaine de vitesse III couvre les valeurs de vitesse V comprises entre la valeur seuil inférieure V1 et la valeur seuil supérieure V2.
L’unité de contrôle 19 est alors configurée pour : comparer la vitesse V du véhicule 1 aux valeurs seuil V1 , V2, appliquer le troisième mode de fonctionnement dit « fixie » si la vitesse V du véhicule 1 est inférieure ou égale à la valeur seuil inférieure V1 (domaine /); appliquer le premier mode de fonctionnement à cadence de consigne 6s linéairement croissante avec la puissance développée P si la vitesse V du véhicule 1 est supérieure ou égale à la valeur seuil supérieure V2 (domaine //) et appliquer un mode de fonctionnement « transition » lorsque la vitesse V du véhicule 1 est strictement supérieure à la valeur seuil inférieure V1 et strictement inférieure à la valeur seuil supérieure V2 (domaine ///),.
Dans le mode de fonctionnement « transition », l’unité de contrôle 19 est par exemple configurée pour : calculer une cadence de consigne projetée à la valeur seuil supérieure V2 à la puissance développée P actuelle; et définir une cadence de consigne 6s’ par interpolation sur la vitesse V du véhicule 1 , entre d’une part la cadence 6’ correspondant à la valeur seuil inférieure V1 du troisième mode « fixie », et d’autre part la cadence 6 du premier mode à la puissance actuelle P à la valeur seuil supérieure V2.
Dans le cas de la figure 7, l’interpolation est notamment linéaire, mais peut en alternative être quadratique. Deux courbes correspondant au fonctionnement à cadence de consigne dépendant linéairement de la puissance P sont représentées dans le domaine supérieur à la valeur supérieure V2 (domaine ///) à deux valeurs de puissance P1 , P2 différentes, correspondant à des plateaux à des hauteurs différentes.
Deux interpolations différentes sont représentées dans le domaine entre les deux valeurs seuil V1 , V2 (domaine //).
Lors d’une décélération, une roue libre peut à nouveau être simulée, au moins sur les domaines II et III correspondant aux modes de fonctionnement « transition » et à cadence de consigne 6s’ linéairement croissante avec la puissance développée P.
Selon un premier mode de réalisation, la roue libre, lors de la décélération, est adoptée jusqu’à la valeur seuil inférieure V1 marquant le retour au fonctionnement au troisième mode « fixie ». De façon analogue à la figure 6, un segment vertical à partir d’une vitesse élevée (du domaine //), avec un segment proche de l’axe des abscisses, parcouru de gauche à droite au cours du temps, jusqu’à la valeur seuil inférieure V1 .
Lorsque la vitesse V atteint la valeur seuil inférieure V1 , le fonctionnement bascule alors en mode « fixie ». Dans ce mode, pour rétablir l’asservissement de la position ou la cadence des pédales 141 à la position des roues 31 , 33 ou la vitesse du véhicule 1 , un couple moteur est alors exercé sur les pédales 141 jusqu’à ce qu’elles tournent à la cadence de consigne 6s à la valeur seuil inférieure V1 .
Selon un mode de réalisation préféré, lors de la décélération, l’unité de contrôle 19 asservit progressivement la cadence des pédales 141 à la vitesse V du véhicule 1 au moyen du couple moteur exercé sur le pédalier 14 entre les valeurs seuil V1 , V2.
Lors de la décélération de la valeur seuil supérieure V2 à la valeur seuil inférieure V1 , l’unité de contrôle 19 impose une cadence minimale. Lorsque la vitesse V du véhicule est à la valeur seuil supérieure V2 la cadence minimale vaut 6. Lorsque la vitesse V du véhicule est à la valeur seuil supérieure V1 la cadence minimale est égale à la cadence de consigne 6s’ imposée par le mode « fixie » à la valeur seuil inférieure V1 .
Lors de la décélération, si la cadence 6’ est inférieure à la cadence minimale, l’unité de contrôle 19 utilise du courant issu de la batterie 9 pour exercer un couple moteur sur le pédalier 14. Si la cadence 6’ est supérieure à la cadence de consigne minimale (pointillés) mais inférieure à la cadence de consigne 6s’ lors de l’accélération (traits pleins), aucun couple n’est exercé sur le pédalier 14, l’utilisateur ressent une roue-libre.
Si la cadence 6’ est supérieure à la cadence de consigne 6s’ lors de l’accélération (traits pleins), un couple résistif est appliqué sur le pédalier 14 et le véhicule 1 accélère de nouveau.
Le troisième mode « transition » permet alors à l’utilisateur de basculer entre les deux autres modes (« fixie » et « à cadence de consigne 6s’ dépendant linéairement de la puissance P ») de façon peu voire pas perçue, et avec une continuité dans les sensations.
Pour le ralentissement et le freinage, un mode de réalisation particulier prévoit un fonctionnement dans lequel l’utilisateur U freine par rétropédalage. Notamment, de façon analogue aux vélos dits « hollandais », le rétropédalage peut n’être effectué que sur une amplitude inférieure ou égale à un tour.
L’unité de contrôle 19 est alors configurée pour détecter l’actionnement en sens inverse du pédalier 14 afin de déclencher un freinage du véhicule 1 . Ce freinage peut être réalisé par un mécanisme mécanique, tel que des freins à disques. De préférence, le freinage est réalisé par un couple résistif appliqué sur le moteur électrique 7 de véhicule 1 . Lorsque le besoin de freinage est important un freinage mécanique peut être appliqué avec un freinage par couple résistif. Par exemple, l’unité de contrôle 19 peut être configurée pour appliquer un freinage de valeur fixe ou un freinage croissant avec l’angle de rétropédalage appliqué sur le pédalier 14.
Le générateur de retour haptique 15 est avantageusement configuré pour exercer un couple résistif (opposé au rétropédalage, c’est-à-dire moteur avec l’orientation précédente) croissant en valeur absolue avec l’écart angulaire entre la position initiale au début du rétropédalage et la position actuelle des pédales 141 .
Ce mode de fonctionnement analogue aux vélos « hollandais » est notamment applicable lors des fonctionnements dans les zones II et III où une roue libre est simulée. Dans la zone / dite « fixie », le rétropédalage est associé à une marche arrière du véhicule 1 . Pour assurer la transition vers ce mode de fonctionnement « fixie » de la zone I, une forme d’hystérésis est avantageuse. En effet, le mode de fonctionnement « fixie » est indiqué à faible vitesse, pour les manœuvres par exemple.
Lors du retour à ce mode de fonctionnement, le pédalier 14 devient moteur, du fait du couplage direct simulé. Si ce retour au mode de fonctionnement « fixie » est effectué à une vitesse trop élevée, l’utilisateur U va ressentir ledit basculement en mode moteur du pédalier 14 comme un soudain à-coup, ce qui nuira au confort de conduite et à la qualité ressentie du véhicule.
Notamment, en partant d’une situation de véhicule 1 à l’arrêt, ou plus généralement fonctionnant en mode « fixie », ledit mode de fonctionnement « fixie » est adopté jusqu’à la transition vers la zone III.
En revanche, en partant d’une situation dans laquelle le fonctionnement simule une roue libre (zones II et ///), cette roue libre est maintenue jusqu’à ce qu’une vitesse nulle ou proche de la vitesse nulle (typiquement de l’ordre d’un ou quelques kilomètres par heure), située dans la zone /, soit atteinte.
Lorsque l’utilisateur U atteint cette vitesse nulle ou proche de la vitesse nulle, le générateur de retour haptique 15 exerce un couple résistif ou moteur correspondant au mode « fixie » de la zone / dans lequel les positions angulaires des pédales 141 et des roues 31 , 33 sont couplées.
Par exemple, si l’utilisateur U démarre avec le véhicule 1 à l’arrêt, le mode de fonctionnement initial sera le mode « fixie » tant que l’utilisateur U sera dans la zone /. Dans cette zone / de vitesse V faible, le mode « fixie » permet de manœuvrer aisément le véhicule 1 , avec une grande précision en marche avant et arrière.
Lorsque l’utilisateur U accélère, il pédale dans le sens positif ou moteur avec une puissance croissante, jusqu’à entrer dans la zone III (ou II si aucune zone III n’est prévue). La transition vers ce mode de fonctionnement différent, pourvu d’une roue libre, est notamment transparente pour l’utilisateur U qui pédale activement et ne ressent donc pas de changement dans le retour haptique. Le mode de fonctionnement de la zone III (ou //) est comme précédemment mentionné avantageux pour la circulation à vitesse V élevée. Lorsque l’utilisateur U cesse de pédaler ou engage le système de freinage en rétropédalant, la vitesse V diminue. Avec l’hystérésis, le fonctionnement avec une roue libre, correspondant à la zone III ou II, est adopté jusqu’à une vitesse V faible, située dans la zone / proche de zéro voire nulle. Le mode « fixie » est alors à nouveau adopté, avec un entraînement faible des pédales 141 du pédalier 14 à ladite vitesse V faible.
L’utilisateur U peut ainsi cesser de pédaler et ressentir une décélération en roue libre, c’est-à-dire sans mouvement de sa part, jusqu’à l’arrêt complet ou quasi complet du véhicule 1 . Lorsqu’il recommencera à pédaler, le mode de fonctionnement « fixie » aura été adopté de façon imperceptible ou faiblement perceptible par l’utilisateur U.
Selon un mode de réalisation alternatif, la puissance de freinage est proportionnelle à la puissance développée en rétropédalage par l’utilisateur. Ce mode de fonctionnement est plus simple, mais ne permet pas de freiner abruptement sans effort de l’utilisateur, et est donc plus indiqué pour l’utilisation dans un véhicule à vitesse relativement faible (vélo, pédalo etc.).
La figure 9 est une représentation schématique d’un appareil d’exercice 200 fixe à pédalier, de type vélo d’appartement ou vélo elliptique.
L’appareil d’exercice 200 est en particulier un vélo d’appartement, comportant une base 201 dans laquelle est incorporé le pédalier 14, des pieds 203 pour l’appui au sol, une selle 205 et des poignées 207.
Le pédalier 14 ne sert alors pas au contrôle d’un moteur électrique 7 de véhicule 1 . Le pédalier 14 comporte alors une unité de contrôle 19 imposant au moyen d’un générateur de retour haptique 15 une cadence de consigne 0s’ dépendant linéairement de la puissance développée P essentiellement pour la régulation de la cadence 0’.
Le pédalier 14 selon l’invention et le procédé de régulation de la cadence mis en œuvre par l’unité de contrôle 19 dudit pédalier 14 permettent de rendre confortable le pédalage à haute puissance. L’effort soutenu que représente cette haute puissance peut alors être maintenu plus longtemps, et les bénéfices liés à l’exercice en sont augmentés. En outre, en rendant soutenable l’effort à puissance importante, la conduite d’un véhicule 1 piloté en vitesse V au moyen d’un pédalier 14 est rendue plus agréable, surtout lorsqu’une vitesse V élevée du véhicule 1 doit être maintenue par un effort important sur le pédalier 14 pour des durées longues.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Pédalier, comprenant:
- des moyens d’estimation (143) d’une cadence de rotation du pédalier (14) ;
- un générateur de retour haptique (15) connecté au pédalier (14) et configuré pour délivrer un couple résistif sur le pédalier (14) ; et
- une unité de contrôle (19) connectée au générateur de retour haptique (15) et aux moyens d’estimation (143) de cadence de rotation du pédalier (14), configurée pour asservir la cadence de rotation du pédalier (14) à une cadence de consigne en modifiant le couple résistif ; caractérisé en ce que l’unité de contrôle haptique (19) régule la cadence de consigne en estimant une puissance (P) appliquée sur le pédalier (14) par sa mise en rotation et en diminuant ou augmentant la cadence de consigne de sorte que ladite cadence de consigne augmente avec la puissance (P) appliquée sur le pédalier (14).
[Revendication 2] Pédalier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cadence de consigne dépend linéairement de la puissance (P).
[Revendication 3] Pédalier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cadence de consigne dépend linéairement de la puissance (P) avec une pente comprise entre 0.05 et 0.25 rpm par watt, plus particulièrement de 0.08 à 0.15 rpm par watt, et plus particulièrement autour de 0.10 rpm par watt.
[Revendication 4] Pédalier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le pédalier (14) comporte des moyens de réglage de l’ordonnée à l’origine (00’) de la cadence de consigne (Os’).
[Revendication 5] Pédalier selon la revendication l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) est configurée pour déterminer des paramètres de cadence de consigne (Os’) lors d’un étalonnage.
[Revendication 6] Pédalier selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est réalisé sous forme de machine électrique réversible, comportant un mode de fonctionnement générateur, dans lequel une charge électrique contrôlée par l’unité de contrôle (19) forme le générateur de retour haptique (15).
[Revendication 7] Pédalier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le courant électrique généré en mode de fonctionnement générateur est converti en charge d’une batterie électrique (9).
[Revendication 8] Pédalier selon l’une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la machine électrique réversible comporte un mode de fonctionnement moteur, dans lequel du courant électrique d’une batterie électrique (9) est utilisé pour générer un couple moteur sur le pédalier (14).
[Revendication 9] Véhicule à propulsion électrique, caractérisé en ce qu’il comporte un pédalier (14) selon l’une des revendications précédentes, et en ce que le pédalier (14) est utilisé pour piloter la propulsion électrique du véhicule.
[Revendication 10] Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) est configurée pour :
- calculer la cadence de consigne (0s’) linéairement croissante avec la puissance développée (P) à une valeur seuil (V1 ) de vitesse du véhicule (1 ),
- interpoler une cadence de consigne (0s’) entre l’origine et la cadence de consigne (0s’) linéairement croissante avec la puissance développée (P) à une valeur seuil (V1 ),
- appliquer la cadence de consigne (0s’) interpolée si la vitesse du véhicule (1 ) est inférieure à la valeur seuil (V1 ) et la cadence de consigne (0s’) linéairement croissante avec la puissance développée (P) si la vitesse du véhicule (1 ) est supérieure à la valeur seuil (V1 ).
[Revendication 11] Véhicule selon la revendication 9, comprenant en outre un capteur de position longitudinale (35) du véhicule (1 ) caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) comporte un deuxième mode de fonctionnement (« Fixie ») dans lequel la position angulaire du pédalier (14) est asservie à la position longitudinale du véhicule (1 ).
[Revendication 12] Véhicule selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) est configurée pour :
- calculer la cadence de consigne (0s’) en mode de fonctionnement où l’unité de contrôle 19 asservit la position angulaire des pédales (141 ) du pédalier
(14) à la position longitudinale du véhicule (1 ),
- calculer la cadence de consigne (0s’) linéairement croissante avec la puissance développée (P),
- appliquer la plus petite des deux cadences de consigne (0s’) à la vitesse (V) du véhicule (1 ).
[Revendication 13] Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) est configurée pour :
- comparer la vitesse du véhicule (1 ) à deux valeurs seuil distinctes (V1 , V2), avec une valeur seuil inférieure (V1 ) et une valeur seuil supérieure (V2) ;
- appliquer le deuxième mode de fonctionnement si la vitesse du véhicule est inférieure ou égale à la valeur seuil inférieure (V1 ) ;
- appliquer le premier mode de fonctionnement si la vitesse du véhicule est supérieure ou égale à la valeur seuil supérieure (V2) ; et
- appliquer un troisième mode de fonctionnement, lorsque la vitesse du véhicule est strictement supérieure à la valeur seuil inférieure (V1 ) et strictement inférieure à la valeur seuil supérieure (V2), le troisième mode de fonctionnement permettant d’assurer la continuité de la cadence en fonction de la vitesse du véhicule entre le premier et le second mode de fonctionnement.
[Revendication 14] Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que dans le troisième mode de fonctionnement l’unité de contrôle est configurée pour :
- calculer une cadence de consigne projetée à la valeur seuil supérieure (V2) à la puissance (P) actuelle ;
- définir une cadence de consigne par interpolation en fonction de la vitesse du véhicule (1 ), entre d’une part la cadence correspondant à la valeur seuil inférieure (V1 ) du deuxième mode, et d’autre part la cadence du premier mode à la valeur seuil supérieure (V2).
[Revendication 15] Véhicule selon l’une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que l’unité de contrôle (19) est configurée pour détecter l’actionnement en sens inverse du pédalier (14) et déclencher un mécanisme de freinage lorsqu’un rétropédalage est détecté.
[Revendication 16] Appareil d’exercice fixe à pédalier, de type vélo d’appartement ou vélo elliptique caractérisé en ce qu’il comporte un pédalier (14) selon l’une des revendications 1 à 8.
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