ÉTUDE ET OPTIMISATION DU FONCTIONNEMENT DES SYSTÈMES 3D DE POSITIONNEMENT TOPCON SUR LES MACHINES DE TRAVAUX PUBLICS

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1 MÉMOIRE DE SOUTENANCE DE DIPLÔME D INGÉNIEUR INSA DE STRASBOURG SPÉCIALITÉ TOPOGRAPHIE ÉTUDE ET OPTIMISATION DU FONCTIONNEMENT DES SYSTÈMES 3D DE POSITIONNEMENT TOPCON SUR LES MACHINES DE TRAVAUX PUBLICS PRÉSENTATION LE 19 SEPTEMBRE 2013, PAR BASTIEN LOPES RÉALISÉ AU SEIN DE L ENTREPRISE TOPCON FRANCE POSITIONING 576, RUE DES GRANDS CRUS MACON DIRECTEUR DU PFE : YVES HERRADA RESPONSABLE DU PFE : AZIZ DOUBOU CORRIGÉ PAR JACQUES LEDIG ET GILBERT FERHAT

2 REMERCIEMENTS 1 Je tiens tout d abord à remercier la société TOPCON, représentée par M. HERRADA Yves, directeur de Topcon France positioning et directeur de mon PFE, de m avoir proposé ce sujet concernant le guidage d engins, un domaine qui m intéresse tout particulièrement et dans lequel j avais toujours espéré pouvoir réaliser mon projet de fin d études. Je remercie aussi tout particulièrement mon responsable de stage M. DOUBOU Aziz qui a suivi mon travail, m a apporté et fait partager ses connaissances techniques tout en me conseillant tout au long de ces semaines. Je remercie également : - M. BASSEVILLE Gaël responsable machine contrôle Topcon pour avoir partagé avec moi ses connaissances sur le guidage d engins. - M. COSTANTIN Yann, nouvel installateur machine contrôle, pour toutes les astuces et connaissances qu il a pu me faire découvrir dans le domaine de la mécanique notamment, ainsi que pour m avoir emmené avec lui lors de la réalisation d installations et de calibrations de systèmes. - M. SUHL Heiko, installateur allemand pour Topcon Europe pour tous ses conseils concernant les installations et la calibration des machines, domaines dans lesquels il excelle. - L ensemble des membres du SAV, du support technique, des ventes pour leur accueil, leur partage d expériences D une manière plus générale je remercie l ensemble des personnes que j ai eu l occasion de côtoyer durant ce PFE. Je remercie l ensemble des équipes pédagogiques que j ai pu rencontrer depuis mon BTS au Lycée La Martinière Monplaisir jusqu à l INSA de Strasbourg pour la qualité de la formation à maints aspects, et l apprentissage des connaissances qui m ont permis d arriver jusque-là. Pour finir, je remercierai ma famille qui m a toujours soutenu et encouragé dans mes choix en mettant à ma disposition les moyens nécessaires pour la réussite de mes études.

3 2 TABLE DES MATIERES Introduction Présentation de la société Topcon Les techniques de guidage d engins - État de l art Notions de guidage et de contrôle Les différentes technologies utilisées pour le guidage d engins GNSS Station totale Système gnss augmenté Les systèmes laser Les systèmes soniques Les principaux engins de TP utilisant le guidage d engins Le Bulldozer La niveleuse La pelle mécanique hydraulique La fraiseuse - raboteuse Le finisseur Tolérances de travail applicables Les solutions 3D de guidage d engin TOPCON Présentation des solutions 3D de guidage topcon Système 3Di GPS Système 3D GPS Système 3D GPS+ pour pelle Système LPS Système mmgps Système 3DMC² Flexibilité des solutions Topcon RÉcapitulatif des solutions Mise en place de la base de données de guidage d engins TOPCON Étude de précision du système pelle et mmgps Étude de précision théorique du système pour pelle Étude de précision théorique du mmgps Quelques mots sur la précision des autres systèmes 3D Installation et calibration des capteurs Les différents capteurs utilises et leur installation Capteur de devers Capteur de pente longitudinale Capteur de rotation... 32

4 4.1.4 Capteur MC² Capteur d inclinaison TS-1 pour pelle Calibration des capteurs Éléments de métrologie de la machine Calibration du capteur de devers Calibration du capteur de rotation Calibration du capteur de pente longitudinale Calibration des capteurs TS-1 sur pelle Calibration des électrovannes Contrôle de la calibration Vérification périodique de la calibration Réalisation d un banc de test pour le systeme pelle Apports effectifs et avantages du guidage 3D Détermination du coût horaire des machines Détermination de la productivité des machines Productivité d une pelle Productivité d une niveleuse Productivité d un bulldozer Estimation des gains effectifs possibles sur un chantier fictif Les avantages du guidage d engins Réduction globale des coûts Réduction de l erreur humaine Augmentation de la productivite Meilleure qualité de travail Augmentation de la sécurité sur les chantiers Évolutivité des systèmes Simplicité d utilisation Assistance et suivi en temps réel SiteLink (Topcon) Bientôt des machines entièrement equipées d usine Conclusion et perspectives Table des matières..55 Bibliographie..57

5 4 INTRODUCTION Ce mémoire de Projet de Fin d Études présente l ensemble des travaux effectués au sein de l entreprise Topcon Positioning France durant la période du 4 février au 2 aout Ce projet porte sur «L étude et l optimisation du fonctionnement des systèmes 3D de positionnement TOPCON sur les machines de travaux publics.». La direction du PFE fut assurée par Yves HERRADA, directeur de la division Positioning et le tutorat par Aziz DOUBOU, responsable technique. Depuis le milieu des années 2000, le guidage d engins a tendance à se démocratiser et cela notamment grâce à l utilisation de la technologie GNSS. Devenue courante depuis une dizaine d années chez les géomètres, il était logique que cette solution apparaisse également comme solution de guidage. De plus, le domaine du BTP est devenu un secteur ultra concurrentiel où les entreprises n hésitent plus à «casser les prix» pour obtenir les marchés. Pour se démarquer de la concurrence, il faut donc baisser les prix et/ou proposer des solutions innovantes par rapport aux problématiques du projet tout en réduisant les coûts de réalisation. Faire mieux, plus vite, en diminuant la consommation pour un coût global le plus faible possible correspond à la nouvelle équation à laquelle il est devenu nécessaire de trouver une solution pour rester compétitif. C est tout particulièrement sur ces points que le guidage d engins apparait comme une des réponses possibles à ce problème. Si autrefois ces techniques étaient réputées coûteuses et difficiles d utilisation, les techniques de guidage et contrôle 2D et 3D sont aujourd hui accessibles de par leur facilité d utilisation et la diminution de leur coût d achat. Qu il s agisse d une solution 2D ou 3D, qu importe le type de technologie associée, l utilisation de ces techniques permet une augmentation de la productivité, une réduction de la consommation et de l usure des engins. TOPCON France commercialise, réalise le montage, la calibration ainsi que la formation des chauffeurs à l utilisation de ses systèmes. Une gamme très large de solutions est proposée, allant de la plus simple solution de guidage 1D aux solutions 3D les plus innovantes et élaborées. Une des forces de TOPCON dans le guidage est d avoir su rendre ces systèmes compatibles les uns avec les autres et surtout évolutifs. Cela permet notamment à des entreprises, n ayant pas les moyens ou l utilisation nécessaires, de commencer avec une solution de guidage 2D qui pourra facilement évoluer vers un positionnement 3D dans l avenir. En effet, une même base est utilisée pour les différents systèmes : un récepteur et un contrôleur graphique. Le logiciel a été conçu de façon à ce qu il soit compatible avec tous les types de machines. Pour proposer un guidage de qualité, il est important que l intégralité des capteurs, ainsi que certaines parties de la métrologie de l engin, soient bien calibrées. En effet, des capteurs de rotation, de devers, et/ou d inclinaison sont associés à la technologie de positionnement à proprement parler tel que le GNSS ou la station totale pour le positionnement 3D. Afin que ces opérations de calibration puissent être réalisées de la manière la plus intuitive possible, des guides de calibrations sont devenus nécessaires. Les objectifs de ce PFE sont donc : - De constituer une base de données des solutions proposées par TOPCON destinée à l utilisation des clients à la recherche d une méthode de guidage

6 - De réaliser des guides de calibration pour les différentes machines - D étudier la précision des systèmes 3D et notamment celle du mmgps - De réaliser une étude des gains effectifs apportés par l utilisation de techniques de guidage 3D 5 Ainsi, dans le but de répondre à ces objectifs, le mémoire s articule autour de 4 parties : Le premier chapitre présente brièvement la société TOPCON puis s oriente vers un état de l art en exposant les principales techniques de guidage d engin existantes, et aussi une rapide description des principaux engins utilisant le guidage est réalisée. Le chapitre suivant expose le principe de fonctionnement des solutions de guidage 3D proposées par TOPCON puis la mise en œuvre de la base de données. Après que le lecteur ait acquis les connaissances de base du guidage et particulièrement des solutions TOPCON, deux études de précision sont réalisées à savoir celle du système pelle et celle du mmgps qui sont les deux systèmes présentant le plus d intérêt à étudier. Le troisième chapitre introduit quant à lui les différents capteurs utilisés en guidage que ce soit pour les pelleteuses, niveleuses, bull Ensuite, dans une seconde partie, les différentes méthodes de calibration mise en œuvre sont présentées. Enfin, le dernier chapitre comporte l étude de gain effectif que procurent les solutions de contrôle 3D, notamment d un point de vue financier et de temps. Ainsi, dans cette partie toute une étude de productivité est réalisée. Finalement, ce chapitre se termine par une description des avantages qu apportent les systèmes de guidages mais également les perspectives d avenir de ce domaine.

7 6 1 PRÉSENTATION DE LA SOCIÉTÉ TOPCON C est au sein de la société Topcon France SARL à Mâcon que j ai eu l occasion de réaliser mon Projet de Fin d Etude. Le siège social de Topcon France SARL est situé en région parisienne dans le département de la Seine Saint Denis (93). Il s agit d une filiale de Topcon Europe Positioning qui est la plateforme de distribution européenne de la maison mère Topcon Corporation, située à Tokyo au Japon. Topcon France SARL se compose de deux divisions: le département médical et le département topographique. Ce dernier est situé depuis 2008 à Mâcon en Saône-et-Loire. Topcon Corporation est une multinationale japonaise cotée à la bourse de Tokyo. C est l'un des leaders mondiaux dans la fabrication d'instruments optiques et électroniques dans le domaine médical, de l'ophtalmologie, de la topographie ainsi que pour la conception de chambres blanches. Créée en 1932, cette société est en perpétuelle évolution et compte aujourd hui près de 5000 salariés à travers le monde. Topcon France Positioning propose des solutions de positionnement pour le domaine de la topographie classique en allant jusqu au guidage d engins pour le BTP. Topcon commercialise des produits uniques sur le marché du positionnement, particulièrement dans le guidage d'engins en 3D tel que la solution 3DMC² et le mmgps. Avec une politique basée sur la recherche et le développement, Topcon, est le premier fournisseur au monde de matériels de positionnement, et reste toujours à la pointe de l innovation. En ce qui concerne le guidage d engin, Topcon est l un des leaders mondiaux. Topcon s efforce en permanence d améliorer la précision, la résistance et le prix des équipements permettant le contrôle et l automatisation dans le bâtiment. En outre TOPCON bénéficie d un fort partenariat avec le deuxième fabricant mondial d engins de TP, à savoir Komatsu. Ce partenariat permet entre autre la mise en place de machines pré-câblées pour le guidage Topcon. Figure 1 Bâtiment Topcon France à Mâcon (71)

8 2 LES TECHNIQUES DE GUIDAGE D ENGINS - ÉTAT DE L ART 7 Afin de mieux appréhender le monde du guidage d engins dans sa globalité, il est nécessaire de bien connaitre l ensemble des systèmes existants, leur utilisation et principe de fonctionnement. Cet inventaire fera l objet de la première partie. 2.1 NOTIONS DE GUIDAGE ET DE CONTROLE Plusieurs terminologies doivent être distinguées dans le domaine du guidage d engins. Elles sont décrites, par Stempfhuber & Ingensand [2008] et Sturm & Vos [2008], de la manière suivante : il conviendra de parler de guidage ou système d indications lorsque les instruments ne font que donner des indications de positionnement au conducteur et de système de contrôle lorsque le système permet d intervenir directement sur l hydraulique de la machine afin d obtenir un contrôle semi-automatique, voir automatique, de l engin. Au cours de ce mémoire, le terme guidage sera utilisé au sens large et pourra également faire référence à la notion de contrôle. Je vais néanmoins, dans un premier temps, présenter séparément ces deux notions. Guidage d engins : Lorsque l on parle de guidage, les instruments ne donnent qu une indication visuelle de positionnement absolu ou relatif de la machine ou de l instrument de travail. Dans le cas d un système 3D, en connaissant la position de l engin, l ordinateur de bord affiche en temps réel la quantité de déblais/remblais pour cette position par comparaison avec le projet. C est au conducteur qu incombe l action de régler la profondeur et le dévers de l instrument de travail. Système de contrôle : Le deuxième type de guidage correspond à un contrôle semi-automatique, c est le système le plus utilisé en application 3D. Dans ce cas, le système hydraulique de la machine est relié au système de contrôle qui règle alors automatiquement le devers et la hauteur de la lame en fonction du projet en agissant automatiquement sur les vérins. Le machiniste n a plus qu à s occuper de l avancement de la machine. Néanmoins, il peut reprendre le contrôle manuel par le biais d un simple interrupteur auto/manu. Ces systèmes sont essentiellement utilisés sur des véhicules tels que les niveleuses, les bulldozers, les raboteuses ainsi que sur les finisseurs. Il existe également des systèmes de contrôle complet de la machine, mais ils ne sont que très peu utilisés et ne concernent que les machines du type finisseurs à coffrage glissant. Un deuxième aspect important afin de distinguer les solutions de guidage correspond à la dimension du positionnement : 1D, 2D ou 3D. Les solutions 1D ne donnent qu une information altimétrique par rapport à une référence, il s agit d une simple cellule de réception laser installée sur la machine. Un écran peut être installé dans la cabine afin de répéter l information de la cellule. Il s agit dans ce cas d un système d indications et non de contrôle. Les solutions 2D sont également des systèmes donnant une information altimétrique de l instrument de travail. Néanmoins, elles se différencient des systèmes 1D par l ajout de l information de devers de la lame. Il s agit d une sorte d abus de langage pour évoquer la prise en compte supplémentaire de l information de devers. Il peut s agir de systèmes d indications et/ou de contrôle.

9 8 Enfin, les systèmes 3D sont les systèmes les plus avancés, ils permettent de définir la position planimétrique et altimétrique de l instrument de travail. Les techniques 3D permettent aussi d importer un projet dans le contrôleur graphique. La machine connait alors en permanence sa position et détermine la quantité de déblais/remblais de la zone. Il peut s agir de systèmes d indications et/ou de contrôle. Les techniques de positionnement 3D sont d ailleurs tout particulièrement adaptées au système de contrôle de machine. 2.2 LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES UTILISÉES POUR LE GUIDAGE D ENGINS Le domaine des TP a également su s adapter à l évolution des techniques de topographie. Aujourd hui, on peut retrouver en guidage d engins la plupart des techniques utilisées en topographie classique : laser, station totale et GNSS. Chacune de ces techniques présentant des avantages et inconvénients qui sont présentés dans les pages suivantes GNSS La technologie GNSS est celle utilisée le plus couramment pour le positionnement 3D en guidage d engins. En effet, elle est tout particulièrement appréciée pour sa simplicité et flexibilité d utilisation. Ce système permet d offrir une précision sur les coordonnées planimétriques de l ordre de 1-2 cm et d environ 2cm en altimétrie, ce qui est néanmoins insuffisant pour certains travaux, notamment pour les phases de finition. Afin d obtenir des précisions de cet ordre, il est nécessaire d utiliser le GNSS en solution RTK 1. Une station (base) GNSS, installée sur un point connu, envoie des informations de correction en continu à la machine via une liaison radio. Le conducteur n a plus besoin de se référer à des piquets connus, car il dispose déjà de l intégralité des informations en cabine. En France les réseaux GNSS permanents tels que Orpheon, Teria, S@t-info ne sont actuellement que très peu utilisés pour le guidage d engin de TP. Deux raisons principales expliquent ce phénomène : le prix des abonnements et des données ainsi que la latence qu il peut y avoir sur ces réseaux. Les principales machines équipées de système GNSS «simple» sont le bulldozer, la pelle et la niveleuse. Figure 2 - Principe du GNSS RTK (Topcon) 1 Real Time Kinematic

10 Avantages + Une même station de base peut servir pour tous les engins et les antennes GNSS mobiles + Un rayon de couverture d environ 15km + Précision planimétrique : 1-2 cm + Indépendant de la visibilité sur le terrain (des engins peuvent passer entre la base et le récepteur sans gêner le fonctionnement) + Facilité de prise en main + Possibilité de travailler avec un projet 3D Inconvénients - Précision altimétrique de l ordre de 2 cm - Utilisation uniquement en extérieur (les engins ne peuvent pas réaliser une plateforme sous un bâtiment par exemple) - Précision variable en fonction de la constellation de satellites visibles et des effets de l ionosphère STATION TOTALE Les systèmes de guidage par station totale existent depuis de nombreuses années. Plus complexes à mettre en place que les systèmes GNSS, les systèmes de guidage par station sont utilisés lorsque la précision altimétrique offerte par le GNSS n est pas suffisante ou que la visibilité des satellites n est pas suffisante pour obtenir un positionnement de qualité. Selon Stempfhuber & Ingensand [2008], en prenant en compte l ensemble des facteurs pouvant influencer les mesures, il est possible d atteindre une précision de 5mm à 50m. Pour ne pas dépasser une précision Figure 3 - Guidage de niveleuse par station totale ( altimétrique du centimètre, il est préférable de ne pas guider à plus de m. Le principe d utilisation est tout à fait similaire à celui d une station totale ordinaire : - Mise en place de la station et détermination de ses coordonnées par station libre - Installation d un prisme placé à une position connue sur la machine sur un mât - Lancement du programme machine contrôle avec démarrage du suivi de prisme. Les coordonnées de la machine sont alors calculées en permanence puis envoyées à la machine par le biais de la station et du récepteur radio. Pour ces travaux, des stations totales spécifiques sont utilisées. Elles sont en effet optimisées de façon à obtenir : - Stabilité du verrouillage de la cible - Concordance entre la poursuite de la cible et le servomoteur - Vitesse des servomoteurs élevés - Stabilité des transferts de données - Recherche rapide du prisme - Fréquence de mesure élevée (supérieure à 20 par seconde) - Robustesse de l instrument - Qualité et précision des prismes 360

11 10 Avantages + Instrument plus polyvalent qu une antenne GNSS : Il est possible de l utiliser aussi bien en extérieur qu en intérieur. + Précision planimétrique : 3-5 mm à 50m + Précision altimétrique : 3-5 mm à 50m + Indépendant de la couverture satellites + Possibilité de travailler avec un projet 3D Inconvénients - Une station totale ne peut travailler que sur un engin en même temps - Couverture d environ 300m - Perte de précision en fonction de l éloignement de la station - Impossibilité de travailler dans de mauvaises conditions climatiques (brouillard, pluie, vent fort). - Nécessite une inter visibilité constante entre la machine et la station totale SYSTÈME GNSS AUGMENTÉ Les systèmes de contrôle 3D GNSS ont eu un impact majeur sur la façon de terrasser, néanmoins la précision altimétrique offerte par ces systèmes n est pas suffisante pour tous les travaux. Une solution a donc été trouvée pour pallier à ce problème : combiner la précision planimétrique du système GNSS à celle altimétrique des systèmes laser. Il existe principalement deux techniques : - L utilisation d un laser rotatif classique et d une cellule de réception de taille importante (environ 1m de haut) installée sous l antenne GNSS (solution Trimble) - L utilisation d un laser mmgps qui émet son faisceau sous la forme d un mur de 10m de haut et d une cellule de réception de taille ordinaire. (solution Topcon) (cf partie 3.1.5) Figure 4 - Système GNSS augmenté Trimble (trimble.fr) Figure 5 - Système mmgps Topcon (topcontotalcare.com) Avantages + Une même station de base peut servir pour tous les engins et les antennes GNSS mobiles + Précision planimétrique : 1-2 cm + Précision altimétrique : jusqu à 6 mm à 150m + Possibilité de travailler avec un projet 3D + Possibilité de guider plusieurs engins avec la même base et le même laser Inconvénients - Portée limitée à celle du laser - Nécessite une inter visibilité entre le récepteur laser et l émetteur

12 2.2.4 LES SYSTÈMES LASER 11 Le système laser est le système 2D le plus rependu et utilisé depuis le plus longtemps dans le guidage d engin. En effet, il s agit d une solution bon marché et d une grande facilité d utilisation apparue dans les années 1970 puis largement rependue dans les travaux publics et le génie civil depuis les années Cependant, cette technique de guidage 1D ou 2D se limite à des travaux plutôt simples : Plateforme, pente simple ou double pentes, en fonction des caractéristiques du laser. Les systèmes laser peuvent être à la fois utilisés comme système d indications et de contrôle. Afin de pouvoir fonctionner en guidage d engin, la seule particularité que le laser rotatif doit posséder est une vitesse de rotation d au moins 600 tours/min. Figure 6 Système laser (Stempfhuber [2006] modifié) Avantages + Précision altimétrique : jusqu à 6 mm à 150m + Faible coût + Possibilité de guider plusieurs machines avec un même laser. Inconvénients - Nécessite une inter visibilité entre le récepteur laser et l émetteur - Limité à des travaux simples - Pas d import de projet 3D possible LES SYSTÈMES SONIQUES Les palpeurs soniques émettent un ou plusieurs faisceaux d ultrasons en forme de cône afin de déterminer la distance entre le palpeur et l élément palpé. Il s agit d un système 2D où l élément palpé sert de référence : généralement une bordure, un fil conducteur, ou la passe précédente de la niveleuse. Un arceau métallique situé à une distance fixe de la cellule permet de corriger la distance calculée en fonction de la constante, car la température a une influence sur la vitesse du son. Cette correction a surtout son importance lorsque les palpeurs sont utilisés sur un finisseur, car la chaleur autour de ce dernier augmente vite, étant donné que les enrobés sont coulés à chaud. Les palpeurs soniques sont des systèmes installés sur les niveleuses ou les finisseurs lors des travaux de finition requérant une précision altimétrique de l ordre de quelques millimètres. Il existe différents types de palpeurs, à savoir : - Palpeur mono point : Il palpe la surface de référence en un seul point et envoie alors directement l information d élévation au contrôleur.

13 12 Figure 7 - Palpeur sonique mono point (Magazine Road News) - Palpeur multipoints : afin de mesurer la hauteur, le palpeur sonique multipoint émet des ultrasons selon 5 faisceaux coniques et détermine une moyenne à l aide de 3 des 5 valeurs. Les 2 valeurs les plus éloignées de la valeur de consigne ne rentrent pas en compte dans le calcul de la moyenne, ce qui permet d éviter de prendre en compte des déformations irréalistes de la référence (ex : pelle ou pied entrant dans la zone du capteur). Comme pour le capteur monopoint, la distance doit etre corrigée en fonction de conditions extérieures : pour ce faire, un sixième faisceau est utilisé perpendiculairement aux autres pour déterminer la correction. Figure 8 Palpeurs soniques multipoints (Topcon) - Palpeurs mono ou multi points montés sur poutre : La poutre à palpeurs soniques permet de supporter 3 (ou plus) capteurs suspendus à un rail métallique fixé au finisseur pour niveler au mieux les irrégularités du sol. Les palpeurs prennent des mesures sur toute la longueur du rail (correspondant plus ou moins à la longueur du finisseur) et calculent une surface moyenne de référence en ne prenant pas en compte les aspérités anormales du sol. - La poutre scanner : encore peu utilisée, la poutre scanner émet un faisceau de rayon laser depuis une hauteur connue. Les faisceaux laser sont réfléchis par la surface, ce qui permet alors de déterminer la distance à laquelle se trouve la référence. Figure 9 Poutre scanner (Magazine Road News) Avantages + Précision millimétrique sur la hauteur + Simplicité du système Inconvénients - Système 2D, Pas d import de projet 3D possible - Nécessite une référence linéaire - Limité à des travaux simples - Système de fils niveleurs lourd à mettre en place

14 2.3 LES PRINCIPAUX ENGINS DE TP UTILISANT LE GUIDAGE D ENGINS 13 Cette partie présente brièvement les 5 principales machines utilisant le guidage d engin. En effet, connaitre le travail de chaque machine est primordial afin de pouvoir sélectionner le type de guidage qui lui correspondra le mieux LE BULLDOZER Également appelé bouteur ou pousseur, il sert entre autre au décapage, au déboisement, au refoulement des déblais ainsi qu au réglage initial des remblais. Il s agit principalement d un engin à chenilles équipé d une lame frontale réglable en hauteur et orientable (lame 6 voies) ou non (lame 4 voies) par rapport à l axe perpendiculaire au déplacement LA NIVELEUSE Figure 10 - Bulldozer komatsu D61 (image personnelle) Les niveleuses sont principalement utilisées lors des travaux de terrassement pour le réglage altimétrique final des couches de matériaux ainsi que pour différentes opérations de profilage. Elles sont constituées de 6 roues et au minimum d une lame centrale : cette lame étant son outil de travail principal. Elle peut être orientée en position, en devers, en orientation et en rotation. Une lame frontale ainsi qu un ripper peuvent venir s ajouter à cette configuration. Ripper Couronne Lame centrale Châssis-poutre Lame frontale LA PELLE MÉCANIQUE HYDRAULIQUE Figure 11 - Niveleuse CAT 140M (photostp.free.fr modifié) Également connue sous le nom de pelleteuse ou excavatrice, elle est en général utilisée pour l extraction de matériaux grâce à son godet. Elle se compose de 4 parties principales, à savoir : la tourelle, la flèche, le balancier et le godet. La pelleteuse est un des engins de base des entreprises de travaux publics pour sa polyvalence : capacité d extraction, chargement, manutention Flèche - Bras Tourelle Balancier Godet Figure 12 - Pelleteuse Komatsu PC210 (Komatsu.fr modifié) LA FRAISEUSE - RABOTEUSE Les fraiseuses et raboteuses sont des machines permettant de décaper la partie supérieure d une chaussée afin de la restaurer ou de la reconstruire. La largeur de rabotage est de 1 à 2m sur une profondeur maximale de 32cm. Pour ce faire, la fraiseuse est munie d un tambour rotatif dont la hauteur et le devers peuvent être réglés en jouant sur la Figure 13 - Fraiseuse Wirtgen (wirtgen.fr)

15 14 hauteur des vérins supportant les chenilles. Un dispositif d arrosage intégré à la machine permet de réduire la formation de poussières et de refroidir le tambour lors du rabotage LE FINISSEUR Il s agit de la machine réalisant la mise en place de la couche de roulement lors de la réalisation d une route. Le finisseur est une machine très lente composée d un tracteur monté sur chenilles, d un alimentateur, d une vis de répartition et d une table de répartition qui étale les matériaux au sol. Figure 14 - Finisseur Bomag (bomag.fr) 2.4 TOLÉRANCES DE TRAVAIL APPLICABLES Toutes ces machines n interviennent pas au même moment lors de la réalisation des travaux. Les précisions attendues par les différents engins ne sont donc pas les mêmes, suivant qu il s agisse d un terrassement initial, final ou de la pose de la couche d enrobé. Les différentes solutions de guidage permettent de faire face à toutes les étapes des terrassements et sont donc chacune particulièrement adaptées à un type de travail. Le schéma suivant fait correspondre le nom des solutions proposées par TOPCON, et seront présentées dans la partie suivante, avec celui de la phase des travaux. Figure 15 Correspondance entre phase de travaux et solution 3D de positionnement TOPCON utilisable (Topcon)

16 Suivant la phase des travaux, plus l on se rapproche de la pose des enrobés plus la précision altimétrique requise est importante. Un tableau dressé par Stempfhuber [2006] préconise certaines tolérances applicables à différentes machines. Il ainsi possible de résumer les plages de tolérance attendues pour les différentes machines par la figure présentée ci-dessous. Les bandes de couleurs (bleu et gris) représentent respectivement les plages de tolérance altimétrique et planimétrique communément admises dans les travaux publics. 15 Figure 16 - Plages de tolérances pour différents types de machines (Stempfhuber [2006] modifié) Suivant les travaux à réaliser et la nature de la machine à équiper les solutions proposées ne sont pas les mêmes. Il s agit d une des problématiques ayant poussé à réaliser une base de données complète des différentes solutions offertes par Topcon.

17 16 3 LES SOLUTIONS 3D DE GUIDAGE D ENGIN TOPCON L un des objectifs de ce PFE fut de mettre en place une base de données présentant les différentes solutions de guidage d engins proposées par TOPCON : cette base de données devant être destinée au public souhaitant s équiper d une solution de guidage d engins ou encore souhaitant seulement avoir une première approche de ces techniques. Cette partie expose la théorie de fonctionnement des principales solutions de guidage 3D, puis la mise en place de la base de données et enfin l étude de précision de deux de ces systèmes. 3.1 PRÉSENTATION DES SOLUTIONS 3D DE GUIDAGE TOPCON SYSTÈME 3DI GPS+ Le système 3Di GPS+ est un système à faible coût pour les machines de terrassement telles que les décapeuses, compacteurs ou bulldozer. Le terme GPS+ signifie qu il s agit d une antenne GNSS capable de capter les signaux GPS, GLONASS et GALILEO (dès sa mise en marche opérationnelle). Il est constitué d une antenne GNSS, d un récepteur GNSS et d un écran de contrôle. Il s agit d un système de base. L écran de contrôle permet de se localiser sur le chantier et de déterminer les zones de déblais/remblais dans le cas des machines de terrassement ou, de compter le nombre de compactages pour un compacteur. Il s agit d un simple système d indications (3Di signifie 3D Indicate) de la position et non de contrôle de la machine. En effet, dans ce cas, l'hydraulique de la machine n'est pas asservie. Le principe de détermination de la position est très simple, l antenne GNSS reçoit les signaux des satellites ainsi que les corrections venant d une station de base puis sont traités par le récepteur GNSS et transmis au contrôleur graphique qui compare la position à celle du projet. Dans ce système, aucun capteur supplémentaire n est ajouté et les coordonnées ne sont donc pas corrigées en fonction du tangage et roulis de la machine, ni de l inclinaison du mât. Afin de connaitre la position entière de la lame, des informations sur la position de l antenne et la dimension de la lame sont introduites dans le contrôleur graphique lors de la calibration. Cette solution est très peu utilisée SYSTÈME 3D GPS+ Le système de contrôle Topcon 3D GPS+ de Topcon est la solution la plus rependue pour les machines de terrassement. Avec cette solution, les informations données par le système GNSS sont couplées avec les informations provenant d autres capteurs afin de compenser le roulis et tangage de la machine, mais également afin de connaitre avec une précision planimétrique et altimétrique de l ordre de 1-2 cm la position de la lame. Dans le cas d une niveleuse, sont ajoutés au système 3Di : un capteur de dévers de la lame, un capteur de pente longitudinale de la machine ainsi qu un capteur de rotation. Ainsi le système, en mode de contrôle automatique, est capable de régler seul la hauteur de la lame, mais également le dévers en fonction du projet. Plusieurs configurations existent pour cette solution : - Une antenne GNSS : l antenne est placée sur un des bords de la lame dans le cas d une niveleuse ou à l axe dans le cas d un bulldozer. La position de la lame complète est ensuite calculée à partir des informations provenant des capteurs additionnels ainsi que de la calibration (largeur de lame, déport de l antenne ).

18 - Antennes GNSS jumelles : ce type de configuration est notamment utilisé dans le cas de la mise en place d un système 3DMC² sur un bulldozer possédant une lame 6 voies ou sur une niveleuse afin de connaitre en permanence et instantanément 17 (délais de quelques secondes pour un système une antenne) la direction de déplacement de la machine ainsi que pour compenser l inclinaison de la lame (jusqu à 15 ). Figure 17 Niveleuse équipée d un système d antennes jumelles (Topcon) Figure 18 - Éléments constitutifs d un système 3D GPS+ pour niveleuse (Topcon) - Système double antennes : dans ce cas, une antenne est placée à chaque extrémité de la lame ce qui permet de déterminer sa position instantanément sans l ajout des capteurs supplémentaires. Ces différentes configurations ont une précision équivalente. L avantage principal que présentent les systèmes à antennes jumelles et à doubles antennes, réside dans l instantanéité de la détermination de l orientation de la machine, alors qu un délai de quelques secondes est nécessaire à un système «simple antenne» pour déterminer le changement de direction. Néanmoins, les systèmes «simple antenne» et «antennes jumelles», du fait de la présence de capteurs supplémentaires, permettent de régler une pente même en l absence de signaux GNSS (ex : plateforme en intérieur, visibilité vers le ciel réduite...). Enfin, comme pour les différents systèmes de guidage 3D Topcon, cette solution dispose d une interface opérateur tactile et très facile d utilisation : le GX-60. Ce contrôleur graphique regroupe les différentes informations provenant de l ensemble des capteurs afin de les traduire en une information permettant le contrôle du travail en temps réel. Ce type de solution est utilisé pour tous les travaux nécessitant une précision altimétrique de l ordre de 1-3 cm et est particulièrement approprié pour les niveleuses et bulldozers. Un système quasiment équivalent est utilisé pour les pelleteuses.

19 SYSTÈME 3D GPS+ POUR PELLE Le système 3D GPS+ pour pelle ou X63 est systématiquement constitué de 2 antennes GNSS afin de déterminer en permanence l orientation de la machine. En effet, pour une pelle, dont la majorité des actions s effectue en rotation, l orientation est primordiale. L antenne principale sert à déterminer les coordonnées XYZ de la machine alors que l antenne auxiliaire ne sert qu à l orientation. En plus des antennes GNSS, 4 capteurs d inclinaison (3 axes) reliés par des câbles CAN 2 sont placés sur les parties maitresses de la pelle : sur la tourelle afin de compenser le tangage et le roulis de la machine, le bras, le balancier et le godet. Cela permet de déterminer les mouvements de ces éléments et ainsi de calculer les coordonnées du godet (cf. partie Etude de précision théorique du système pour pelle). Des capteurs additionnels peuvent être ajoutés dans le cas d une pelle avec un double bras ou équipée d un godet inclinable. Comme pour toutes les solutions de guidage 3D, une fois le projet intégré dans le contrôleur graphique, les informations de terrassement apparaissent à l écran. Il s agit uniquement d un système d indications, il n existe plus à l heure actuelle de système de contrôle pour pelle. Figure 19 - Composition du kit pelle X63 (Topcon modifié) SYSTÈME LPS Le système LPS est le système de guidage 3D par station totale. Il permet d obtenir une précision altimétrique de l ordre de 3-4 mm à 100m et cela même sans disponibilité des satellites. Il s agit d une des premières solutions de positionnement 3D ayant existé. Elle est essentiellement destinée aux machines telles que les raboteuses et les finisseurs. Figure 20 Guidage LPS (Topcon) Cette solution a tendance à être remplacée lorsque cela est possible (possibilité de suivre les signaux GNSS) par la solution mmgps présentée par la suite. 2 CAN : Controller Area Network

20 3.1.5 SYSTÈME MMGPS 19 Le mmgps (prononcé «millimeter GPS») est une exclusivité de TOPCON. Il permet de dissocier la planimétrie de l altimétrie en s appuyant à la fois sur un système GNSS et sur un système laser. Le système permet ainsi de pallier au manque de précision altimétrique du seul système GNSS pour la réalisation de certains travaux de terrassement ou de finition demandant une précision altimétrique subcentimétrique. Le système mmgps se compose essentiellement : - D un ou de plusieurs transmetteurs laser PZL-1 - D un ou de deux récepteurs laser PZS (surmonté(s) d une antenne GNSS) et placé(s) sur l engin. - D un contrôleur graphique GX-60 - D un récepteur radio et GNSS MC-R3 - Des capteurs supplémentaires nécessaires à la bonne détermination de la position de l outil de travail. Le récepteur GNSS fournit alors les coordonnées planimétriques de l engin afin de pouvoir associer à sa position la «cote projet» qui pourra être ajustée grâce à la précision qu apporte le transmetteur laser dans la détermination de la composante verticale. Le transmetteur laser doit être stationné sur un point dont les coordonnées X, Y et Z sont connues afin de pouvoir calculer la distance le séparant du récepteur monté sur la machine. Contrairement à un laser rotatif «ordinaire» le transmetteur laser PZL n émet pas son faisceau sous la forme d un plan horizontal, mais plutôt d un cône d une hauteur maximale de 10m et de 300m de long. Figure 21 - Émission du laser mmgps (Topcon) Pour déterminer la différence d altitude entre l émetteur et le récepteur monté sur la machine, le calculateur utilise : - La distance horizontale séparant l émetteur du récepteur à partir des coordonnées connues du transmetteur et celles acquises par le système GNSS du récepteur. - L angle vertical entre le plan horizontal et le récepteur Pour déterminer l angle vertical, le système utilise la particularité de son système d émission. En effet, le mmgps émet son signal selon 3 plans : 2 plans verticaux et un plan incliné formant ainsi une émission en forme de N.

21 20 Figure 22 Émission du mmgps sous la forme de 3 plans formant un N (Topcon modifié) Le récepteur PZS reçoit alors, lorsqu il est intersecté par ces 3 plans, les différents signaux à des temps différents T1, T2 et T3. Il est ainsi possible de calculer l angle d élévation du récepteur à l aide de ces temps de passages ainsi que d après le rapport suivant : DT1 / (DT1 + DT2). La différence d altitude entre le transmetteur et le récepteur est alors calculée et l information altimétrique envoyée au contrôleur graphique. Cette mesure hybride permettant alors d obtenir une précision altimétrique pouvant aller jusqu à celle du centimètre à une distance de 250m ainsi que le révèlent les travaux de Malarski & Pasik [2011]. Une étude de précision théorique de ce système est réalisée dans la partie Enfin il est possible de coupler jusqu à 4 de ces émetteurs afin d obtenir une zone de couverture plus importante. Ce système peut être installé sur toutes les machines, mais est particulièrement adapté pour les fraiseuses, finisseurs et dans certains cas pour les niveleuses. On peut notamment trouver dans l article de Kaak & Brentzinger [2010] différentes expériences de chantier où le mmgps a été utilisé sur finisseur et ayant permis l obtention de résultats très intéressants tout en réalisant des économies SYSTÈME 3DMC² Le système 3DMC², prononcé «3DMC squared», ne concerne que les bulldozers et niveleuses. Il s agit d une évolution du système 3D GPS+ par l ajout d un capteur inertiel remplaçant le capteur de devers sur les systèmes pour bulldozer et venant s ajouter aux différents capteurs sur les systèmes de niveleuse. Ce capteur a une fréquence d actualisation de 100 Hz (100 fois par seconde). En outre, sur les systèmes pour bulldozer, il permet de réaliser une correction de la pente longitudinale, car les bulldozers ne sont pas équipés d un tel capteur. En effet, dans les systèmes ordinaires pour bulldozers, le logiciel de 3DMC 3 se sert de la pente projet pour réaliser la compensation. Enfin, en cas de perte du signal GNSS, le capteur MC² peut prendre le relais durant quelques minutes. Figure 23 Système 3DMC² (tpi.com.pl) Quasiment l intégralité des systèmes 3D vendus pour les bulldozers sont des systèmes 3DMC². 3 3DMC est le logiciel intégré dans le contrôleur graphique servant au guidage d engins

22 3.1.7 FLEXIBILITÉ DES SOLUTIONS TOPCON 21 Un des avantages que propose Topcon pour toutes ces solutions de guidage d engins est un même duo de base à savoir : un contrôleur graphique (GX-60) équipé d un logiciel de guidage appelé 3DMC et un récepteur radio-gnss-lps (MC-R3). Figure 24 Compatibilité entre les différents systèmes (création personnelle) De plus, le logiciel est le même pour tous les types de machines : Niveleuse, bulldozer, finisseur, machine à coffrer, pelleteuse, scraper, draineuse, chargeuse, dameuse, compacteur En fonction de la machine sélectionnée, les options disponibles et l affichage sont évidemment différents. Figure 25 Aperçus de différentes machines dans le logiciel 3DMC en vue 2D (captures d écran) Cette compatibilité permet de pouvoir transférer l écran d une machine sur une autre, de changer de technologie de positionnement à moindre coût Il est également possible d installer un système 2D avec cette même base, pour n avoir qu un minimum de modifications à réaliser lors du passage vers une solution de positionnement 3D RÉCAPITULATIF DES SOLUTIONS Figure 26 Tableau récapitulatif simplifié des types de solutions proposées (Topcon modifié)

23 MISE EN PLACE DE LA BASE DE DONNÉES DE GUIDAGE D ENGINS TOPCON Dès lors que j ai eu assimilé l ensemble des connaissances liées aux différentes solutions de positionnement TOPCON pour les machines de travaux publics, j ai pu commencer la réalisation de la base de données. Internet, étant actuellement, le meilleur moyen de diffusion pour la rendre facilement accessible, j ai donc créé une base de données au format mysql regroupant les différentes techniques de guidage TOPCON. Celle-ci se constitue de 5 tables : - Une table comportant le nom des machines (tbl_machine) - Une table comportant les dimensions de positionnement (tbl_dimension) - Une table comportant les différentes technologies disponibles (tbl_technoogie) - Une table comportant les noms des solutions existantes chez TOPCON (tbl_solution) - Une table regroupant et faisant la liaison entre l intégralité des informations (topcon_mc) Une fois la base de données construite, il fallait un moyen efficace de diffusion et de recherche. Mon choix s est donc naturellement orienté vers la réalisation d un site internet dédié au guidage d engins TOPCON. Afin de s adresser au public le plus large possible et qui ne saurait pas forcément vers quelle solution se tourner, j ai mis en place un jeu de listes déroulantes en cascades dont le nombre de choix se réduit en fonction des éléments sélectionnés dans les précédentes. Par exemple, en choisissant la machine «pelle», il n est pas nécessaire d avoir les résultats pour les niveleuses. Les informations des listes déroulantes sont recherchées en direct dans la base de données. Afin de pouvoir réaliser ce travail, le site est codé en php qui est un langage web dynamique contrairement au html qui est dit statique. Cela permet de ne créer qu une seule page «solution» dont le contenu sera variable en fonction du choix réalisé dans la page de sélection de la solution. Les informations à sélectionner sont dans l ordre : le type de machine à équiper, le type de technologie souhaitée, la dimension du positionnement et enfin la sélection d une des solutions proposées. Dans le but de déterminer quelle technologie semble la plus adaptée aux besoins du client une page d aide est disponible. En effet, lors du choix d une technique de guidage d engin, de nombreux critères sont à prendre en compte. Chaque solution a des avantages et des inconvénients et est optimale pour une utilisation différente. Parmi les différents critères et questions à se poser, il y a notamment : - Le choix d une technique de guidage ou de contrôle - Le choix de la technologie utilisée par le système : Laser, sonique, GNSS, station totale, mm GNSS? - La précision verticale requise en fonction des tolérances applicables aux travaux - Le type de projet : routier, rail, bassin, plateforme - La complexité des éléments du projet - L environnement de travail : disponibilité GNSS - Le type de machine utilisée : pelle, bulldozer, finisseur? - La limite de portée des systèmes - La nécessité ou non de pouvoir importer des plans du chantier (MNT TN, MNT Projet ) - Le budget disponible - L expérience avec les systèmes de guidage d engins / Adaptabilité à de nouveaux systèmes.

24 A partir de ces paramètres, ainsi que des caractéristiques offertes par les différentes technologies, j ai pu créer une page d aide à la sélection de la technologie souhaitée. La figure cidessous montre le tableau présent sur cette page web. 23 Figure 27 Tableau d aide au choix du type de technologie à employer en fonction des besoins (réalisation personnelle) Au final, une fois la solution choisie et après validation, le visiteur est redirigé sur une page rappelant le choix effectué, et donnant une courte description de la solution ainsi qu un schéma avec les différents capteurs ajoutés à la machine. Il peut alors se faire une première idée et s il le désire prendre contact avec Topcon obtenir de plus amples informations. Le site se compose également d une galerie d images montrant des solutions de guidage installées sur des machines de différents types, d une page mentionnant les avantages de ces techniques, ainsi que d une redirection vers le catalogue machine contrôle de TOPCON. Figure 28 Captures d écran du site internet guidage-topcon.fr.nf / Gauche : Page d accueil / Droite : Page solution (personnelle)

25 24 La mise à jour de la base de données est totalement intuitive et automatisée : il est seulement nécessaire de rajouter une description et une image illustrant la solution. De plus, un script mysql empêche la création de doublon. Ainsi il sera facile de supprimer ou d ajouter une solution en fonction de l évolution des propositions faites par TOPCON. Enfin un analyseur de visite, nommé Piwik, équivalent de Google analytics, permet de connaitre quelles sont les pages les plus visitées et notamment celle des solutions. Ainsi, il est possible de savoir quelle solution attire le plus les visiteurs. Figure 29 Exemples de statistiques obtenues après 3 jours de mise en ligne du site (capture d écran) On peut par exemple voir, dans la figure précédente, que la solution la plus recherchée lors des premiers jours fut la solution id_solution=14 correspondant au système 3DMC² sur bulldozer. De nombreuses autres informations sont également disponibles telles que : - La situation géographique du visiteur - La page d entrée, de sortie du site - Les heures des visites - Les mots clés utilisés pour accéder - Le site est actuellement disponible à l adresse : mais est susceptible de changer d hébergeur et de nom de domaine pour une meilleure stabilité. En outre, un lien sur le site de Topcon France ( depuis la page Produit > Guidage d engins est présent en bas de page sous la référence «trouvez votre solution de guidage». Dans le cas de la migration du site, ce lien sera mis à jour vers la nouvelle adresse du site. Dans le but d être lisible depuis tous les supports, il également possible d accéder au site depuis un Smartphone ou une tablette.

26 3.3 ÉTUDE DE PRÉCISION DU SYSTÈME PELLE ET MMGPS ÉTUDE DE PRÉCISION THÉORIQUE DU SYSTÈME POUR PELLE Figure 30 - Schéma de principe du calcul de la position relative du godet par rapport à la pelle (réalisation personnelle) Pour le guidage de pelle 2D ou 3D, l information importante est la position du godet et notamment sa hauteur. Pour réaliser cette détermination, des capteurs d inclinaison (Tilt) sont installés sur la tourelle, la flèche, le balancier et le godet de la machine ; ce qui permet par la suite de déterminer les angles A1, A2 et A3 (cf. schéma ci-dessus). Les dimensions des éléments L1 (pivot machine/balancier pivot balancier/flèche), L2 (pivot balancier/flèche pivot flèche/godet) et L3 (godet) sont mesurées lors de la calibration du système. Les positions planimétriques et altimétriques relatives du godet par rapport à la machine peuvent donc être déterminées à partir des formules suivantes : H = L 1 cos(a 1 ) + L 2 cos(a 2 ) + L 3 sin(a 3 ) V = L 1 sin(a 1 ) + L 2 sin(a 2 ) + L 3 cos(a 3 ) Équation 1 - Détermination de la position relative du godet À partir de ces différentes équations, ainsi que des données concernant les capteurs, il est possible de déterminer la précision que l on peut attendre de ce système ainsi que l influence que peut avoir une erreur de mesurage lors de la calibration. σ H 2 = σ 2 L cos 2 (A 1 ) + σ 2 A1 L 2 1 sin 2 (A 1 ) + σ 2 L cos 2 (A 2 ) + σ 2 A2 L 2 2 sin 2 (A 2 ) 2 + σ L sin 2 (A 3 ) + σ 2 A3 L 2 3 cos 2 (A 3 ) = σ 2 L cos 2 (A 1 ) + cos 2 (A 2 ) + sin 2 (A 3 ) + σ 2 A (L 2 1 sin 2 (A 1 ) + L 2 2 sin 2 (A 2 ) + L 2 3 cos 2 (A 3 )) σ V 2 = σ 2 L sin 2 (A 1 ) + sin 2 (A 2 ) + cos 2 (A 3 ) + σ 2 A (L 2 1 cos 2 (A 1 ) + L 2 2 cos 2 (A 2 ) 2 + L 3 sin 2 (A 3 )) Équation 2 Calcul de transmission d emq Lors de la calibration (cf. partie 4) les mesures des longueurs de différents éléments de la pelleteuse - à savoir L1, L2 et L3 - sont déterminées. Les capteurs d inclinaison sont également calibrés afin de pouvoir donner les angles A1, A2 et A3. C est lors de l installation que la calibration est réalisée pour la première fois. Les mesures peuvent être réalisées soit à l aide d un ruban, soit à l aide d un tachéomètre pour plus de précision, suivant le matériel disponible. Nous considérerons pour nos calculs une erreur moyenne quadratique (emq) de 5mm sur la mesure de ces longueurs. De

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