Quelles sont les différentes catégories de cockpits de sim racing ?

Nous vous conseillons de lire notre page « De quoi est équipé une plateforme de sim racing« . Vous aurez ainsi plus d’infos sur les éléments pour les types d’écran, le réglages, les sièges baquet, etc.

Et si vous voulez toute réapprendre depuis le début, et partir sur de bonnes bases, alors notre chapitre sur le cockpit en sim racing est fait pour vous. Pédale, écrans, volant, siège baquet… Bref, tout y est.

Sommaire

  • Définition – Les degrés de liberté (DOF)
    • Déplacement le long des axes X, Y et Z
  • Comment les DOF impactent nos capteurs sensoriels ?
    • Les différents types de mouvements
  • Quels DOF offrent les meilleures sensations de vélocité pour les joueurs
    • Les plateformes 2 DOF
    • Les plateformes 3 DOF
    • Les plateformes 6 DOF (Full motion)
    • Etude de cas : comparaison entre un 3 DOF et un 6 DOF
  • Comment se créer une occasion de tester plusieurs types de châssis de voitures

Définition – Les degrés de liberté (DOF)

Avant d’entrer dans les détails, nous devrions d’abord vérifier quelques théories de base en physique. Un simulateur de mouvement ou une plateforme de mouvement est un mécanisme qui crée le sentiment d’être dans un environnement de mouvement réel. Dans un simulateur, le mouvement est synchronisé avec un affichage visuel de la scène du monde extérieur (diffusion d’un jeu en ligne sur des écrans).

Le plus souvent, vous pouvez différencier les simulateurs par l’option qu’ils offrent à l’utilisateur : contrôle-t-il le véhicule ou est-il un conducteur passif (comme dans le cas d’un manège de parc d’attractions) ?

Une autre caractéristique importante d’un simulateur de plateforme de mouvement consiste en ses degrés de liberté (DOF).

Comme mentionné ci-dessus, DOF signifie Degrés De Liberté et fait référence au nombre et aux types de mouvements qu’un objet peut effectuer à l’intérieur d’un espace donné. Ce qui aide à définir le DOF d’un outil donné sont ses paramètres de translation et de rotation. Plus précisément, un corps est libre de se translater selon 3 degrés de liberté lorsqu’il se déplace le long des axes X, Y et Z. Ces déplacements sont connus sous le nom de soulèvement, de poussée et de balancement.

Déplacement le long des axes X, Y et Z

Un corps, cependant, peut aussi tourner avec 3 degrés de liberté (lorsqu’il tourne pour faire face à un axe différent). Ces derniers sont le tangage, le lacet et le roulis.

Les cas les plus connus dans la vie réelle sont ceux des objets avec 6 DOF. Parmi ceux-ci, les plus faciles à comprendre sont ceux d’un avion et d’un oiseau.

Avion en mouvement – 3 DOF

Un autre exemple d’objet connu se déplaçant avec 6 DOF est celui d’un navire de guerre. Dans ce cas particulier, la translation est encore plus facile à visualiser que dans celui d’un avion. On peut dire qu’il n’y a pas de plus grande liberté physique que celle que l’on voit en vol et en plongée.

Mouvement d’un véhicule sur la route – 6 DOF

Les véhicules subissent également des mouvements de tangage, de roulis et de lacet, mais ces mouvements sont relativement faibles et sont généralement le résultat de la réaction de la suspension aux virages, aux accélérations et aux conditions de la route.

Lorsqu’il s’agit de simulateurs, le nombre de DOF importe, encore plus pour les expériences de VR. C’est parce qu’il indique comment l’orientation et la position de l’objet ou du corps seront suivies. Chaque degré de liberté donne au simulateur plus de mouvement. Par exemple, un casque 3DOF VR saura où vous regardez, alors qu’un casque 6DOF saura aussi où vous êtes dans l’espace 3D.

Comment les DOF impactent nos capteurs sensoriels ?

Pour vous aider à choisir le nombre de DOF, intéressons-nous aux effets physiologiques sur nos corpts d’être humain.

La façon dont nous percevons notre corps et notre environnement est fonction de la façon dont notre cerveau interprète les signaux provenant de nos divers systèmes sensoriels, comme la vue, le son, l’équilibre et le toucher.

Des unités de captage sensorielles spéciales (ou coussinets sensoriels) appelées récepteurs traduisent les stimuli en signaux sensoriels. Les récepteurs externes (exteroceptors) répondent aux stimuli qui surviennent à l’extérieur du corps, comme la lumière qui stimule les yeux, la pression sonore qui stimule l’oreille, la pression et la température qui stimulent la peau et les substances chimiques qui stimulent le nez et la bouche. Les récepteurs internes (entérocepteurs) réagissent aux stimuli qui proviennent de l’intérieur des vaisseaux sanguins.

La stabilité posturale est maintenue par les réflexes vestibulaires qui agissent sur le cou et les membres. Ces réflexes, qui sont la clé d’une synchronisation réussie des mouvements, sont sous le contrôle de trois classes d’entrées sensorielles :

Les propriocepteurs sont des récepteurs situés dans les muscles, les tendons, les articulations et l’intestin, qui envoient des signaux au cerveau concernant la position du corps. Les pilotes d’avion appellent parfois ce type d’entrée sensorielle le « siège du pantalon », par exemple pour augmenter la pression sur le corps ressentie dans les manœuvres de looping, les tractions et les virages serrés.

La configuration vestibulaire se compose des organes gauche et droit de l’oreille interne, chacun d’eux ayant des canaux semi-circulaires et des otolithes. Les accélérations de rotation en tangage, roulis et lacet sont détectées par le mouvement des fluides dans les trois canaux semi-circulaires. Les accélérations linéaires en soulèvement, en roulis et en poussée sont détectées par les  » otolithes  » qui sont des poils sensoriels avec une petite masse de carbonate de calcium sur le dessus, de sorte qu’ils se plient sous l’accélération linéaire.

Les données visuelles fournies par l’œil transmettent au cerveau des informations sur la position, la vélocité et l’altitude de l’engin par rapport aux objets de la scène visuelle du monde extérieur (OTW). Le taux de changement de perspective d’une scène visuelle en mouvement est un indice important dans le monde réel, et la machine visuelle d’un simulateur utilise des graphiques informatiques pour modéliser la scène réelle.

Les différents types de mouvements

Il est physiquement impossible de simuler correctement un mouvement à grande échelle dans l’espace limité dont dispose un simulateur. L’approche standard consiste à simuler le plus fidèlement possible les indices de l’accélération initiale[12].

Mouvements linéaires

En principe, la vélocité ne peut pas être directement perçue par les seuls indices relatifs. Pour une telle configuration, voler dans l’espace avec une certaine vélocité constante n’est pas différent de s’asseoir sur une chaise. Cependant, changer la vélocité est perçu comme une accélération, ou une force agissant sur le corps humain (pendant le freinage). Dans le cas d’une accélération linéaire constante, un substitut à la situation réelle est simple.

Puisque l’amplitude de l’accélération n’est pas très bien perçue par les humains, on peut incliner le sujet vers l’arrière et utiliser le vecteur de gravité en remplacement de la force résultante correcte de la gravité et de l’accélération vers l’avant. Dans ce cas, le fait d’incliner un simulateur vers l’arrière et de faire tourner l’image visuelle du même angle donne au sujet une force sur le dos qui est perçue comme une accélération vers l’avant.

Accélérations linéaires

Les accélérations linéaires sont détectées par des otolithes. La structure des otolithes est plus simple que celle des canaux semi-circulaires à trois axes qui détectent les accélérations angulaires. Les otolithes contiennent des particules de carbonate de calcium qui sont en retard par rapport au mouvement de la tête, ce qui dévie les cellules ciliées. Ces cellules transmettent l’information sur le mouvement au cerveau et aux muscles oculomoteurs. Des études indiquent que les otolithes détectent la composante tangentielle des forces appliquées. Un modèle de fonction de transfert entre la force perçue [style d’affichage y(s)}y(s) et les forces appliquées [style d’affichage f(s)}f(s)] est donné par :

{frac {y(s)}{f(s)}}={frac {2,02(s+0,1)}{s+0,2}}}frac{y(s)}{f(s)} = frac{2,02(s+0,1)}{s+0,2}

D’après les expériences de centrifugation, des valeurs seuils de 0,0011 ft/s2 ont été signalées ; des valeurs allant jusqu’à 0,4 ft/s2 ont été signalées d’après des études sur les particules en suspension dans l’air en URSS. Les mêmes études donnent à penser que le seuil n’est pas une accélération linéaire mais plutôt un mouvement de secousse (dérivée de position en troisième temps), et la valeur seuil signalée est de l’ordre de 0,1 ft/s3. Ces résultats sont appuyés par les premières études montrant que la cinématique du mouvement humain est représentée par les caractéristiques des profils de secousse[14].

Accélérations angulaires

Les accélérations angulaires sont détectées par des canaux semi-circulaires. Les trois canaux semi-circulaires sont mutuellement orthogonaux (comme un accéléromètre à trois axes) et sont remplis d’un fluide appelé endolymphe. Dans chaque canal, il y a une section dont le diamètre est plus grand que le reste du canal. Cette section s’appelle l’ampoule et est scellée par un rabat appelé la cupule. Les accélérations angulaires sont détectées de la façon suivante : une accélération angulaire provoque le déplacement du fluide dans les canaux, ce qui fait dévier la cupule. Les nerfs de la cupule transmettent le mouvement au cerveau et aux muscles oculomoteurs, ce qui stabilise les mouvements des yeux. Un modèle de la fonction de transfert entre le déplacement angulaire perçu {displaystyle y(s)}y(s) et le déplacement angulaire réel {displaystyle phi(s)}phi(s) est :

{frac {y(s)}{phi(s)}}={frac {0,07s^{3}(s+50)}{(s+0,05)(s+0,03)}}}frac{y(s)}{phi(s)} = frac{0,07s^3(s+50)}{(s+0,05)(s+0,03)}

Un modèle du second ordre de l’angle de la cupule est donné par

  • 2zeta omega {n}{point theta}+omega {n}theta = u(t)}ddot{theta} + 2zeta omega_ndot{theta} + omega_ntheta = u(t)

où Zêta est le rapport d’amortissement, Oméga {n}}, Oméga {n} est la fréquence naturelle de la cupule et U(t)}u(t) est l’accélération angulaire d’entrée. Les valeurs d'[affichage ]zeta sont comprises entre 3,6 et 6,7 tandis que les valeurs d'[affichage ]omega {n}}omega {n} sont comprises entre 0,75 et 1,9. Ainsi, il est surchargé de racines réelles et distinctes. La constante de temps la plus courte est de 0,1 seconde, tandis que la constante de temps la plus longue dépend de l’axe autour duquel le sujet d’expérience accélère (roulis, tangage ou lacet). Ces constantes de temps sont supérieures d’un à deux ordres de grandeur à la constante de temps la plus courte.

Des expériences ont montré que les accélérations angulaires inférieures à un certain niveau ne peuvent pas être détectées par un sujet d’essai humain. Des valeurs de 0,5^{circ }/sec ^{2}}0,5^circ/sec^2 ont été signalées pour les accélérations en tangage et en roulis dans un simulateur de vol.

Quels DOF offrent les meilleures sensations de vélocité pour les joueurs

Cela dépend du type de véhicule que vous voulez simuler. Si les effets de lacet, de sous-virage ou de survirage ne sont pas importants, vous pouvez opter pour 2 DOF ou 3 DOF.

Les plateformes 2 DOF

La plateforme de mouvement qui ne déplace que les sièges du conducteur (2 DOF) offre le temps de réponse le plus rapide et la vitesse la plus élevée.

C’est une plateforme de mouvement d’entrée de gammes pour les simulateurs simples de l’industrie ou du divertissement. Le 2DoF est le bon choix pour les applications où les mouvements verticaux ou l’accélération et le freinage ne sont pas d’une importance capitale : simulateur de pelle, de camion, de chargeuse, de train et autres véhicules. Il peut également être utilisé comme un simulateur de vol simplifié. Nous utilisons ici des moteurs AC ou DC avec réducteurs selon les exigences de charge maxi.

Les plateformes 3 DOF

Si vous voulez déplacer tout l’équipement, vous aurez besoin d’une plateforme de mouvement en 3 DOF qui offre une plus grande charge utile.

Ce type de plateforme possède 3 leviers, capables de réaliser des mouvements de tangage, de roulis et de soulèvement. et il nous une solution de prix moyen pour votre simulateur. Comparé aux plateformes 2DoF, le 3DoF a un rapport performance/prix plus élevé et une meilleure fidélité des accélérations verticales. Il peut être utilisé comme une configuration entièrement équipée ou comme entraînement avancé de bus/trolleybus.

Les plateformes 6 DOF (Full motion)

Si des effets de lacet (virage), de sous-virage ou de sur-virage sont nécessaires, vous pouvez utiliser une plateforme de mouvement universelle de 6 DOF ou une combinaison de 2 DOF de déplacement de siège et d’une unité dédiée au sous-virage ou au sur-virage.

Ce type est connu sous le nom de  » full motion  » et offre une expérience exceptionnelle avec des capacités de charge utile extrêmement élevées. En plus du tangage, du roulis et du soulèvement, il supporte les mouvements de lacet, d’oscillation et de sursaut. Il peut être utilisé pour la plupart des projets ou des situations difficiles lorsqu’un mouvement de haute précision est requis. Ce type de plate-forme est la solution parfaite pour les simulateurs professionnels de navires/vols. Nous utilisons ici des motoréducteurs triphasés complets avec VFD dans le cas de composants habituels ou des actionneurs linéaires DC pour fournir une amplitude étendue de translations.

Etude de cas : comparaison entre un 3 DOF et un 6 DOF

Les simulations de véhicules sont généralement conçu pour fonctionner avec des bases de mouvement à trois degrés de liberté ou à six degrés de liberté.

Chacun a des avantages et des inconvénients, ce qui les rend plus adaptés à des applications spécifiques. Ces deux systèmes diffèrent radicalement en ce qui concerne le coût du matériel, des logiciels et des
complexité.

La configuration à trois degrés de liberté (3 DOF) est limité à la rotation autour des axes x, y et z. Cela signifie que cela se limite à provoquer la sensation d’accélération par rotation autour de ces trois axes et de maintenir un angle d’inclinaison et d’utiliser la gravité.

L’inclinaison est généralement limité à un angle de 45 degrés, ce qui empêche de créer une sensation d’accélération de plus de 0,707 g.

La configuration à six degrés de liberté (6 DOF) a non seulement la possibilité de tourner autour des trois axes, mais peut se déplacer latéralement sur les trois axes. La capacité de cette installation pour produire plus précisément ces forces serait un fait acquis, mais il se limite à la distance latérale disponible pour le déplacement autour de chacun des trois axes. Cela donne la capacité de produire une accélération supplémentaire, ce qui permet théoriquement de changer les accélérations plus librement.

Le divertissement et la formation des nouveaux conducteurs n’ont peut-être pas besoin de systèmes qui simulent tous les signaux de mouvement.

Toutefois, la formation des conducteurs professionnels, comme les conducteurs de véhicules commerciaux, les pilotes de course, les conducteurs, la police et les autres membres du personnel d’urgence peuvent avoir besoin du 6 DOF. La conduite de ces véhicules peut exiger que le conducteur remarque certains indices de mouvement, ce qui peut être le début d’une perte de contrôle du véhicule.

En conclusion, les deux systèmes de base de mouvement ont la capacité de représenter l’accélération d’un véhicule. Si le coût est un problème et que la base de mouvement n’est pas utilisée pour la recherche ou dans une profession exigeant de la précision, la configuration à trois degrés de liberté est le meilleur choix. Cependant, si la précision est requise, la base de mouvement à six degrés de liberté est le meilleur choix.


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C’est une question à laquelle on trouve peu de réponse. Et c’est bien dommage parce qu’il est important de connaître la différence entre un châssis à 3 DOF et à 6 DOF.