Étude et optimisation du fonctionnement des...

ÉTUDE ET OPTIMISATION DU FONCTIONNEMENTDES SYSTÈMES 3D DE POSITIONNEMENT TOPCON

SUR LES MACHINES DE TRAVAUX PUBLICS

MÉMOIRE DE SOUTENANCE DE DIPLÔME D’INGÉNIEURINSA DE STRASBOURG – SPÉCIALITÉ TOPOGRAPHIE

PRÉSENTATION LE 19 SEPTEMBRE 2013, PAR BASTIEN LOPES

RÉALISÉ AU SEIN DE L’ENTREPRISE TOPCON FRANCE POSITIONING576, RUE DES GRANDS CRUS - 71000 MACON

DIRECTEUR DU PFE : YVES HERRADARESPONSABLE DU PFE : AZIZ DOUBOU

CORRIGÉ PAR JACQUES LEDIG ET GILBERT FERHAT

Mémoire de Projet de Fin d’Études 2013 – Bastien LOPES – Spécialité Topographie

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REMERCIEMENTS 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.


2 TABLE DES MATIERES Introduction…………………………………………………….……….…………….…………………4 1 Présentation de la société Topcon .................................................................................................... 6

2 Les techniques de guidage d’engins - État de l’art........................................................................... 7

2.1 Notions de guidage et de contrôle ........................................................................................... 7

2.2 Les différentes technologies utilisées pour le guidage d’engins ............................................. 8

2.2.1 GNSS ................................................................................................................................... 8

2.2.2 Station totale ........................................................................................................................ 9

2.2.3 Système gnss augmenté ..................................................................................................... 10

2.2.4 Les systèmes laser ............................................................................................................. 11

2.2.5 Les systèmes soniques ....................................................................................................... 11

2.3 Les principaux engins de TP utilisant le guidage d’engins ................................................... 13

2.3.1 Le Bulldozer ...................................................................................................................... 13

2.3.2 La niveleuse ....................................................................................................................... 13

2.3.3 La pelle mécanique hydraulique ........................................................................................ 13

2.3.4 La fraiseuse - raboteuse ..................................................................................................... 13

2.3.5 Le finisseur ........................................................................................................................ 14

2.4 Tolérances de travail applicables ........................................................................................... 14

3 Les solutions 3D de guidage d’engin TOPCON ............................................................................ 16

3.1 Présentation des solutions 3D de guidage topcon ................................................................. 16

3.1.1 Système 3Di GPS+ ............................................................................................................ 16

3.1.2 Système 3D GPS+ ............................................................................................................. 16

3.1.3 Système 3D GPS+ pour pelle ............................................................................................ 18

3.1.4 Système LPS ...................................................................................................................... 18

3.1.5 Système mmGPS ............................................................................................................... 19

3.1.6 Système 3DMC² ................................................................................................................ 20

3.1.7 Flexibilité des solutions Topcon ........................................................................................ 21

3.1.8 RÉcapitulatif des solutions ................................................................................................ 21

3.2 Mise en place de la base de données de guidage d’engins TOPCON ................................... 22

3.3 Étude de précision du système pelle et mmgps ..................................................................... 25

3.3.1 Étude de précision théorique du système pour pelle ......................................................... 25

3.3.2 Étude de précision théorique du mmGPS .......................................................................... 27

3.4 Quelques mots sur la précision des autres systèmes 3D ........................................................ 30

4 Installation et calibration des capteurs ........................................................................................... 31

4.1 Les différents capteurs utilises et leur installation................................................................. 31

4.1.1 Capteur de devers .............................................................................................................. 31

4.1.2 Capteur de pente longitudinale .......................................................................................... 31

4.1.3 Capteur de rotation ............................................................................................................ 32


3 4.1.4 Capteur MC² ...................................................................................................................... 33

4.1.5 Capteur d’inclinaison TS-1 pour pelle............................................................................... 34

4.2 Calibration des capteurs ........................................................................................................ 34

4.2.1 Éléments de métrologie de la machine .............................................................................. 36

4.2.2 Calibration du capteur de devers ....................................................................................... 37

4.2.3 Calibration du capteur de rotation ..................................................................................... 38

4.2.4 Calibration du capteur de pente longitudinale ................................................................... 38

4.2.5 Calibration des capteurs TS-1 sur pelle ............................................................................. 39

4.2.6 Calibration des électrovannes ............................................................................................ 40

4.2.7 Contrôle de la calibration .................................................................................................. 40

4.2.8 Vérification périodique de la calibration ........................................................................... 41

4.2.9 Réalisation d’un banc de test pour le systeme pelle .......................................................... 41

5 Apports effectifs et avantages du guidage 3D ................................................................................ 43

5.1 Détermination du coût horaire des machines ........................................................................ 43

5.2 Détermination de la productivité des machines ..................................................................... 44

5.2.1 Productivité d’une pelle ..................................................................................................... 44

5.2.2 Productivité d’une niveleuse ............................................................................................. 46

5.2.3 Productivité d’un bulldozer ............................................................................................... 46

5.3 Estimation des gains effectifs possibles sur un chantier fictif ............................................... 47

5.4 Les avantages du guidage d’engins ....................................................................................... 49

5.4.1 Réduction globale des coûts .............................................................................................. 49

5.4.2 Réduction de l’erreur humaine .......................................................................................... 49

5.4.3 Augmentation de la productivite ....................................................................................... 49

5.4.4 Meilleure qualité de travail ................................................................................................ 49

5.4.5 Augmentation de la sécurité sur les chantiers ................................................................... 50

5.4.6 Évolutivité des systèmes .................................................................................................... 50

5.4.7 Simplicité d’utilisation ...................................................................................................... 51

5.4.8 Assistance et suivi en temps réel – SiteLink (Topcon)...................................................... 51

5.4.9 Bientôt des machines entièrement equipées d’usine ......................................................... 52

Conclusion et perspectives……………………………………………………………………………..53

Table des matières………………………………………………….………………………………….55

Bibliographie…………………………………………………………………………………….…….57


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 2013. 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


5 - 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

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.


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)


7 2 LES TECHNIQUES DE GUIDAGE D’ENGINS - ÉTAT DE L’ART

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.


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.

2.2.1 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 RTK1. 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


9

2.2.2 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 altimétrique du centimètre, il est préférable de ne pas guider à plus de 150-200m. 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°

Avantages Inconvénients

+ 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

- 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.

Figure 3 - Guidage de niveleuse par station totale (www.kelloggreport.com)


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2.2.3 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)


+ 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

- 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


+ 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

- Portée limitée à celle du laser - Nécessite une inter visibilité entre le

récepteur laser et l’émetteur


11 2.2.4 LES SYSTÈMES LASER

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 1980. 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)

2.2.5 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.


+ Précision altimétrique : jusqu’à 6 mm à 150m

+ Faible coût + Possibilité de guider plusieurs machines

avec un même laser.

- Nécessite une inter visibilité entre le

récepteur laser et l’émetteur - Limité à des travaux simples - Pas d’import de projet 3D possible


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- 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 mono-point, 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)


+ Précision millimétrique sur la hauteur + Simplicité du système

- 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

Figure 7 - Palpeur sonique mono point (Magazine Road News)


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Lame frontale

Lame centrale

Couronne

Châssis-poutre

Ripper

Godet

Balancier

Flèche - Bras

Tourelle

2.3 LES PRINCIPAUX ENGINS DE TP UTILISANT LE GUIDAGE D’ENGINS

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.

2.3.1 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.

2.3.2 LA NIVELEUSE

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.

2.3.3 LA PELLE MÉCANIQUE HYDRAULIQUE

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…

2.3.4 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 10 - Bulldozer komatsu D61 (image personnelle)

Figure 11 - Niveleuse CAT 140M (photostp.free.fr modifié)

Figure 12 - Pelleteuse Komatsu PC210 (Komatsu.fr modifié)

Figure 13 - Fraiseuse Wirtgen (wirtgen.fr)


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.

2.3.5 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.

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)

Figure 14 - Finisseur Bomag (bomag.fr)


15 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.

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.


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

3.1.1 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.

3.1.2 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…).


17 - 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

(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 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.

Figure 17 – Niveleuse équipée d’un système d’antennes jumelles

(Topcon)


18 3.1.3 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 CAN2 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 3.3.1 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)

3.1.4 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


19 3.1.5 SYSTÈME MMGPS

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.


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 3.3.2.

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.

3.1.6 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


21 3.1.7 FLEXIBILITÉ DES SOLUTIONS TOPCON

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.

3.1.8 RÉCAPITULATIF DES SOLUTIONS

Figure 26 – Tableau récapitulatif simplifié des types de solutions proposées (Topcon modifié)


22 3.2 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.


23 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 ci-dessous montre le tableau présent sur cette page web.

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)


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 : www.guidage-topcon.fr.nf 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 (www.topcon.fr) 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.

http://www.guidage-topcon.fr.nf/

http://www.topcon.fr/


25 3.3 ÉTUDE DE PRÉCISION DU SYSTÈME PELLE ET MMGPS

3.3.1 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 = 𝐿1 ∗ cos(𝐴1) + 𝐿2 ∗ cos(𝐴2) +𝐿3 ∗ sin(𝐴3) 𝑉 = 𝐿1 ∗ sin(𝐴1) + 𝐿2 ∗ sin(𝐴2) + 𝐿3 ∗ cos(𝐴3)

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. 𝜎𝐻2 = 𝜎𝐿2 ∗ 𝑐𝑜𝑠2(𝐴1) + 𝜎𝐴12 ∗ 𝐿12 ∗ 𝑠𝑖𝑛2(𝐴1) + 𝜎𝐿2 ∗ 𝑐𝑜𝑠2(𝐴2) + 𝜎𝐴22 ∗ 𝐿22 ∗ 𝑠𝑖𝑛2(𝐴2) + 𝜎𝐿2

∗ 𝑠𝑖𝑛2(𝐴3) + 𝜎𝐴32 ∗ 𝐿32 ∗ 𝑐𝑜𝑠2(𝐴3)= 𝜎𝐿2 ∗ �𝑐𝑜𝑠2(𝐴1) + 𝑐𝑜𝑠2(𝐴2) + 𝑠𝑖𝑛2(𝐴3)� + 𝜎𝐴2 ∗ (𝐿12 ∗ 𝑠𝑖𝑛2(𝐴1) + 𝐿22 ∗ 𝑠𝑖𝑛2(𝐴2)+ 𝐿32 ∗ 𝑐𝑜𝑠2(𝐴3))

𝜎𝑉2 = 𝜎𝐿2 ∗ �𝑠𝑖𝑛2(𝐴1) + 𝑠𝑖𝑛2(𝐴2) + 𝑐𝑜𝑠2(𝐴3)� + 𝜎𝐴2 ∗ (𝐿12 ∗ 𝑐𝑜𝑠2(𝐴1) + 𝐿22 ∗ 𝑐𝑜𝑠2(𝐴2) + 𝐿32

∗ 𝑠𝑖𝑛2(𝐴3)) 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


26 plus, les capteurs de pente (TS1-tilt de chez Topcon) sont donnés pour une résolution de 0,1° (soit 174,5 ppm) d’après la fiche d’information.

Afin de réaliser une application numérique, nous utiliserons les valeurs arrondies L1, L2 et L3

d’une pelle Caterpillar 324E soit L1 = 7m ; L2 = 4m et L3 = 2m.

𝜎𝐻2 = 5² ∗ �1 + 𝑐𝑜𝑠2(0.1°)� + 174.52 ∗ (0.0072 ∗ 𝑠𝑖𝑛2(0.1°) + 0.0042 ∗ 𝑠𝑖𝑛2(0.1°) + 0.0022 ∗ 𝑐𝑜𝑠²(0.1°)) 𝑆𝑜𝑖𝑡 𝜎𝐻 = ±8 𝑚𝑚

𝜎𝑉2 = 5² ∗ �1 + 𝑠𝑖𝑛²(0.1°)� + 174.52 ∗ (0.0072 ∗ 𝑐𝑜𝑠²(0.1°) + 0.0042 ∗ 𝑐𝑜𝑠²(0.1°) + 0.0022 ∗ 𝑠𝑖𝑛²²(0.01°))

𝑆𝑜𝑖𝑡 𝜎𝐻 = ±15 𝑚𝑚 Équation 3 – Détermination de l’emq sur la position relative du godet

Néanmoins, il est important de comprendre que ces calculs ne s’appliquent que pour une pelle

dont la stabilité serait parfaite et travaillant sur un plan parfaitement horizontal. Or cela n’est possible qu’en théorie. En effet, la masse de la pelle et les rotations qu’elle effectue peuvent provoquer une instabilité de sa position sur le sol (glissement, enfoncement…). De plus, les pelles ne travaillent presque jamais sur un sol parfaitement plat, il est donc impératif de prendre en compte le roulis et le tangage de la pelle dans les calculs de détermination de la position du godet. En effet, nous allons voir que l’influence de ces deux dérives sur la position relative apparente du godet n’est pas négligeable.

En temps normal, le mouvement d’un solide en 3D est défini par 3 vitesses : la vitesse de

roulis, de tangage et de lacet. Néanmoins, nous ne prendrons pas en compte cette dernière car, dans ce cas, elle est négligeable.

Les matrices rotation autour des différents axes s’écrivent de la manière suivante :

𝑅(𝜑)𝑎𝑢𝑡𝑜𝑢𝑟 𝑑𝑒 𝑋 = �1 0 00 cos (𝜑) −sin (𝜑)0 sin (𝜑) cos (𝜑)

�

𝑅(𝜃)𝑎𝑢𝑡𝑜𝑢𝑟 𝑑𝑒 𝑌 = �cos (𝜃) 0 sin (𝜃)

0 1 0−sin (𝜃) 0 cos (𝜃)

�

Équation 4 – Matrices rotations La combinaison de ces deux matrices rotation nous donne la suivante :

𝑅𝑋𝑌 = �cos (𝜃) 0 sin (𝜃)

sin(𝜑) ∗ sin (𝜃) cos (𝜑) − sin(𝜑) ∗ cos (𝜃)− sin(𝜃) ∗ cos (𝜑) sin (𝜑) cos(𝜃) ∗ cos (𝜑)

�

Les effets de tangage et de roulis entrainent donc une modification des coordonnées du godet

telle que :

�𝑋′𝑌′𝑍′� = �

𝑋 ∗ cos(𝜃) + 𝑍 ∗ sin (𝜃)𝑋 ∗ sin(𝜑) ∗ sin(𝜃) + 𝑌 ∗ cos(𝜑)−𝑍 ∗ sin(𝜑) ∗ cos (𝜃)−𝑋 ∗ sin(𝜃) ∗ cos(𝜑) + 𝑌 ∗ sin(𝜑) + 𝑍 ∗ cos(𝜃) ∗ cos (𝜑)

�

Prenons par exemple le cas d’une pelle se trouvant sur une double pentes de 5% (soit 2.86°) et

ayant les coordonnées suivantes pour le godet : �𝑋𝑌𝑍� = �

80−1

�, on obtiendrait alors �𝑋′𝑌′𝑍′� = �

7.940.07−1.40

�. Ce

qui correspondrait alors à une erreur de �𝑒𝑋𝑒𝑌𝑒𝑍� = �

−6 𝑐𝑚+ 7𝑐𝑚−40 𝑐𝑚

�.


27 Si l’erreur sur les coordonnées planimétriques pourrait être tolérable, l’erreur de 40 cm sur l’altitude ne l’est absolument pas. On se rend aisément compte que de telles erreurs ne sont pas acceptables pour la réalisation de travaux, d’où la nécessité d’utiliser un capteur supplémentaire qui sera installé sur la tourelle de la pelle dans le but de déterminer le roulis et le tangage de la machine. Ce capteur supplémentaire permettant d’envoyer les corrections liées à ces rotations au contrôleur graphique.

Avec la précision des différents capteurs de 0.1° on a donc, toujours une incertitude sur la

position du godet, �𝑋′𝑌′𝑍′� = �

7.9980.002−1.014

� . Après correction, l’incertitude sur le Z n’est donc plus que

d’environ 1,4 cm. Or il ne s’agit ici que de la détermination de la position relative du godet à laquelle il convient

d’ajouter l’imprécision du Z donné par le système GNSS que l’on estimera à 1,5 cm. Le système 3D ajoute deux antennes GNSS sur le contrepoids de la machine qui permettent,

après calibration, de déterminer les coordonnées du pivot machine/flèche et ainsi, de la même façon que l’on a vu précédemment, de déterminer les coordonnées absolues du godet.

On peut donc dire que le système pelle, installé sur une pelle ayant les caractéristiques

précédemment citées, aura une incertitude de détermination de l’élévation d’environ : �1,42 + 1,52 =±2𝑐𝑚.

Figure 31 – Position de l’antenne principale (main) et de l’antenne auxiliaire (aux.) (Topcon modifié)

Cette précision est tout à fait satisfaisante pour les travaux réalisés par les pelles. En effet, il ne

faut pas oublier qu’il s’agit d’engins de TP travaillant souvent dans des conditions difficiles et qui peuvent prendre du jeu au fur et à mesure des heures de travail.

3.3.2 ÉTUDE DE PRÉCISION THÉORIQUE DU MMGPS

Comme nous avons pu le voir dans la partie précédente, le système mmGPS a été créé pour faire face au manque de précision altimétrique du système GNSS en le combinant avec la technologie laser. Cet émetteur laser est particulier puisqu’il n’émet pas son faisceau sous la forme d’un plan, mais plutôt d’une surface : le signal émis dépendant alors de l’angle vertical correspondant à la réception. De plus, l’émetteur doit être stationné sur un point dont les coordonnées X,Y et Z sont connues.


28

Figure 32 – Fonctionnement du mmGPS (Cahart [2012])

La dénivelée est calculée de la manière suivante :

∆𝑍= 𝐿 ∗ tan (𝛼) Équation 5 – Détermination de la dénivelée par le mmGPS

On peut donc calculer par transmission d’erreur moyenne quadratique, l’incertitude sur la détermination de la dénivelée :

𝜎∆𝑍2 = 𝑡𝑎𝑛2(𝑧) ∗ 𝜎𝐿

2 +𝐿

𝑐𝑜𝑠²(𝛼)∗ 𝜎𝛼2

Équation 6 – Détermination de l’emq sur le dénivelée donnée par le mmGPS La distance entre l’émetteur et le récepteur est déterminée par calcul entre les coordonnées de

l’émetteur et celles obtenues en temps réel par le récepteur GNSS. On peut donc estimer que 𝜎𝐿 =

±3𝑐𝑚. En ce qui concerne σα , il est donné par le constructeur à 10’’. (cf. annexe I – Brevet du mmGPS)

On rappelle ici que l’une des particularités de l’émetteur mmGPS est la forme de son

faisceau : le faisceau est émis dans les 30 premiers mètres selon un angle de ±10° puis il définit, de 30 à 300m, une bande de 5 mètres en dessus et en dessous de son plan d’émission horizontal.

Figure 33 – Principe d’émission du mmGPS (réalisation personnelle)


29 À partir de l’équation précédente, il est possible de déterminer en fonction de l’angle et de la distance, la précision offerte par ce système. Pour réaliser ces calculs, la solution la plus désavantageuse est prise en compte (angle maximum). En effet, l’angle va logiquement varier en fonction de la distance séparant le mobile de l’émetteur et tendre vers zéro.

Figure 34 – Angle maximum en fonction de l’éloignement

Figure 35 – Incertitude maximale sur la détermination de la dénivelée et sur l’altitude du point au niveau de la machine (réalisation

personnelle)

Le graphique bleu représente l’erreur moyenne quadratique maximale sur la seule valeur de la dénivelée donnée par le système mmGPS ; le vert représente l’emq sur l’altitude du point au sol. Pour cette deuxième détermination, une emq de ±2mm pour la mesure de la hauteur de l’émetteur et de ±3𝑚𝑚 pour la mesure de la hauteur de la cellule de réception sont prises en compte dans le calcul.

On peut remarquer que, dans le cas de l’observation avec un angle maximum, la meilleure

précision est obtenue pour une distance d’environ 60m. L’avantage de ce type de graphique est qu’il permet de déterminer la distance maximale à laquelle la machine peut se trouver de l’émetteur mmGPS pour ne pas dépasser la tolérance de travail souhaitée (ex : tolérance de 6mm => éloignement max de 150m).

D’une manière similaire à celle de l’étude de Malarski & Pasik [2011], on s’intéresse

maintenant à l’influence des erreurs séparément : celle sur la distance et celle sur l’angle :

Figure 36 – Influence de l’incertitude de distance sur la

dénivelée (réalisation personnelle)

Figure 37 –Influence de l’incertitude de l’angle sur la

dénivelée (réalisation personelle)


30 On s’aperçoit que l’incertitude sur la mesure de l’angle entraine une erreur quasiment proportionnelle à la distance. Au contraire, l’incertitude sur la distance, entraine une erreur de moins en moins importante avec l’éloignement. Ceci est dû au fait que, plus on s’éloigne de l’émetteur plus l’angle maximum observable est faible.

Il est important de garder en mémoire que les graphiques ci-dessus sont donnés pour l’angle

maximal observable, or les machines ne se situent que rarement dans cette zone.

3.4 QUELQUES MOTS SUR LA PRÉCISION DES AUTRES SYSTÈMES 3D

La précision des autres systèmes n’a pas été étudiée en détail, étant donné qu’ils emploient des techniques de positionnement dont l’étude de précision a déjà maintes fois été réalisée. Nous noterons donc pour rappel que la précision des récepteurs GNSS de machine contrôle peut être estimée à :

- Positionnement planimétrique : 10 mm + 1ppm (par rapport à l’espacement avec la base) - Positionnement altimétrique : 20 mm + 1 ppm

Et cela, bien que la position ne soit pas donnée directement par l’information GNSS, mais

qu’elle soit complétée par celles des capteurs. La précision de ces systèmes reste de l’ordre de celle précédemment présentée, sauf pour le système 3Di GPS+ qui ne corrige pas les effets de tangage et roulis. De plus, contrairement à la pelle où les antennes se trouvent assez loin du godet (longueur de la tourelle + longueur du bras), celles-ci sont installées plus ou moins à l’aplomb de la lame ce qui diminue l’influence du tangage et du roulis. Enfin, la précision résultera principalement de la qualité de la calibration.

En ce qui concerne le guidage par station totale, encore une fois et pour des raisons identiques, la précision du positionnement peut être assimilée à celle de la station. Ce qui donne par exemple, en prenant la station totale TOPCON PS MC avec une résolution de 1’’ et 5’’ à des distances et des angles différents :

Figure 38 - Erreur sur la dénivelée calculée à différents distances et angles par rapport à une visée horizontale (delta angle = 0°) (réalisation personelle)

Néanmoins, afin d’obtenir ou de se rapprocher au plus près de ces précisions, il est nécessaire

de calibrer les capteurs et de rentrer des informations sur la machine. Cette calibration doit être réalisée avec le plus de soin et de rigueur possibles.


31 4 INSTALLATION ET CALIBRATION DES CAPTEURS

Avant de réaliser la calibration, il est important de comprendre à quoi servent les différents capteurs et comment ils fonctionnent. C’est pourquoi, dans cette partie, je vais énumérer les principaux capteurs utilisés en guidage d’engins tout en expliquant leur utilité.

4.1 LES DIFFÉRENTS CAPTEURS UTILISES ET LEUR INSTALLATION

4.1.1 CAPTEUR DE DEVERS

Le capteur de devers permet de déterminer le dévers de la lame dans le cas d’un bulldozer ou d’une niveleuse, du tambour pour une fraiseuse et du tablier pour un finisseur. Il permet à la lame, lorsqu’elle est utilisée en mode automatique, de s’ajuster automatiquement au devers du projet.

Lorsque la machine recule, l’information est prise en compte, soit par l’envoi d’une information via le réseau CAN4, soit grâce à un branchement réalisé sur le bip de recul de la machine. Dans ce cas, lorsque l’impulsion électrique est envoyée au bip de recul, le contrôleur graphique sait que la machine recule. Machine Lieu d’installation

Niveleuse Arrière de la couronne du support de lame Bulldozer Dos de la lame

Fraiseuse – finisseur Sur le châssis proche de l’outil de travail

Figure 39 –Dévers de la lame sur une niveleuse

(www.kelloggreport.com)

Figure 40 – Capteur de devers installé sur la couronne d’une

niveleuse (Topcon)

La résolution donnée par la fiche technique de ce capteur est de ± 0.025 % et possède une plage d’utilisation allant jusqu’à ± 0-100%. Cette pente maximale de 100% est largement suffisante car, dans ce cas, il s’agit pratiquement d’un talus, ce travail sera réalisé par une pelle mécanique. Les pentes les couramment utilisées sont comprises entre 0 et 5%.

4.1.2 CAPTEUR DE PENTE LONGITUDINALE

Le capteur de pente longitudinale n’est utilisé que sur les niveleuses. Il est généralement installé sur le châssis-poutre de la machine et permet de déterminer la pente longitudinale (soit la pente dans le sens du déplacement de la machine). L’information de ce capteur est également déterminante pour le calcul du dévers de la lame (cf. 4.1.3 capteur de rotation). Ce capteur sert également de liaison

4 CAN : Controller Area Network


32 entre les différents capteurs. Sur un bulldozer, où il n’y a pas de capteur de pente longitudinale, un boitier de jonction (junction box) le remplace. En effet, sur le système pour bulldozer « ordinaire », la pente longitudinale utilisée pour les corrections est celle du projet. L’utilisation du capteur 3DMC² inertiel est donc en général préférée.

Figure 41 –Pente longitudinale (www.kelloggreport.com)

Figure 42 – Capteur de pente longitudinale installé sur une

niveleuse (Topcon)

La résolution donnée par la fiche technique de ce capteur est de ± 0.025 % et possède une plage d’utilisation allant jusqu’à ± 0-20%.

4.1.3 CAPTEUR DE ROTATION

Il s’agit également d’un capteur dédié à la niveleuse. Il est installé sur le point de pivot de la lame et mesure l’angle de rotation de la lame par rapport au châssis-poutre de la machine. Dès que l’opérateur tourne la lame les informations, envoyées par ce capteur ainsi que par le capteur de pente longitudinale et le capteur de dévers, permettent de calculer la pente de la lame. En effet, lorsque l’on réalise un dévers avec la lame, la rotation de cette dernière a une influence sur la pente réalisée.

Figure 43 – Rotation de la lame d’une niveleuse (Topcon)

Figure 44 – Capteur de rotation (Topcon)

La formule donnant le dévers réalisé en fonction de la pente longitudinale et de la rotation de

la lame est la suivante :

𝐷𝑟 = �𝐷𝑝 ∗ cos(𝑅𝑜𝑡)� + 𝑃𝑙 ∗ sin(𝑅𝑜𝑡)

𝐷𝑟 ∶ 𝐷é𝑣𝑒𝑟𝑠 à 𝑟é𝑎𝑙𝑖𝑠𝑒𝑟 ; 𝐷𝑝 ∶ 𝐷é𝑣𝑒𝑟𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡 ; 𝑅𝑜𝑡 ∶ 𝐴𝑛𝑔𝑙𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑎𝑚𝑒 𝑒𝑡 𝑃𝑙 ∶ 𝑙𝑎 𝑝𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒.

Équation 7 – Détermination du devers à réaliser en fonction de la pente longitudinale et de la rotation de la lame

Par exemple, si le dévers projet doit être de 2%, que la lame est tournée de -22° et que la pente longitudinale est de 3%, alors le capteur de devers devra placer la lame à :

𝐷𝑟 = (2 ∗ cos(−22°)) + 3 ∗ sin(−22°) = 0.7%

En l’absence de cette correction, la pente réalisée serait de 1.3% trop importante, soit une erreur (pour une lame de 4 m) de 5 cm de sur excavation au point le plus critique.


33 Enfin, lors des terrassements, il faut penser à maintenir l’axe fictif entre les deux vérins parallèle au sens de la pente. En effet, dans le cas contraire, notamment en avançant la machine « en crabe » un équivalent de rotation serait appliqué et non corrigé.

Figure 45 – Maintien de l’alignement des 2 vérins dans le sens de la pente (Topcon modifié)

Dans les deux cas précédents de l’image de droite, le capteur de rotation indique une rotation

de 0°, néanmoins dans l’image la plus à droite, une erreur est créée sur la pente transversale, car cette dernière n’est pas corrigée comme elle devrait l’être.

La résolution de ce capteur est limitée par le système à 0.5° pour une plage d’utilisation de 0 à 360°.

4.1.4 CAPTEUR MC²

Il s’agit d’un des derniers capteurs développés par TOPCON. C’est un capteur inertiel ayant une fréquence d’actualisation des données de 100 Hz (100 fois par seconde). Il peut être adapté sur les systèmes pour niveleuse et bulldozer.

Les capteurs MC² mesurent la position en X, Y, Z, ainsi que la vitesse et l'accélération du bulldozer, ce qui permet de garder la position de

la lame avec une très grande précision.

De plus, en cas de coupure de la réception des signaux GNSS pendant une courte période, le capteur peut ainsi prendre le relais. Dans le cas d’un système pour bulldozer, ce capteur est très avantageux puisqu’il permet de remplacer le capteur de devers de lame ainsi que de compenser avec précision la pente longitudinale. Les résultats obtenus avec l’ajout de ce capteur sont très intéressants : le rendu est plus régulier et précis ce qui permet d’éviter, dans certains cas, l’utilisation d’une niveleuse.

Figure 47 – Terrassement en cours de réalisation avec un système 3DMC² : le rendu est plus lisse (Topcon)

Figure 46 – Capteur MC² (Topcon)


34 4.1.5 CAPTEUR D’INCLINAISON TS-1 POUR PELLE

Afin de déterminer la cinématique d’une pelle, les capteurs d’inclinaison sont installés sur les différents organes de la pelle. Il s’agit d’accéléromètres 3 axes ayant une plage d’utilisation de 360°. Un label, sur lequel est dessinée une flèche, est installé sur la partie supérieure du capteur. Le label et la flèche ne peuvent être installés que dans certaines positions particulières.

Figure 48 – Directions possibles de la flèche en fonction de celle du label (Topcon)

Les informations de direction précédentes sont données par rapport à la position d’un

chauffeur qui serait dans la pelle. Par exemple, le capteur de bras est installé à gauche du bras (soit du côté chauffeur), les positions possibles de la flèche sont vers le haut ou vers l’avant.

4.2 CALIBRATION DES CAPTEURS

Un des objectifs principaux de ce PFE était de mettre en place des guides de calibration pour les différentes machines et solutions proposées par TOPCON. La réalisation de ces guides ayant pour but d’optimiser ces différentes procédures car, actuellement, il n’existe pas de tels guides regroupant l’ensemble des informations. Mon travail était donc, à partir des différents manuels techniques existant en anglais, des connaissances des installateurs, ainsi que des informations intégrées dans les logiciels, de répertorier et d’organiser ces informations afin qu’elles soient facilement accessibles. L’avantage que j’ai eu, est l’arrivée d’un nouvel installateur machine contrôle chez Topcon, deux mois après le début de mon PFE : j’ai donc pu lui donner les premiers guides et ainsi avoir des retours sur différents éléments à corriger, à rajouter. De plus, lors des derniers mois du PFE, j’ai eu l’occasion de participer à la réalisation de plusieurs installations et calibrations auprès de M. SUHL Heiko, installateur allemand pour TOPCON Europe qui a pu me donner de nombreux conseils quant aux diverses méthodes de calibrations. En effet, pour ces aspects pratiques et techniques, rien ne remplace l’expérience. Ma méthodologie de travail, pour réaliser ces guides, fut donc la suivante (cf figure ci-après).


35

Figure 49 – Organigramme de la méthodologie de mise en place des guides [réalisation personnelle]

Afin d’avoir une certaine homogénéité dans la présentation des guides, j’ai défini une composition type des éléments devant y figurer à savoir : - Définition des mesures nécessaires à prendre - Didacticiel de paramétrage de la machine dans le contrôleur graphique - Méthode de calibration des capteurs - Calibration des électrovannes - Contrôle de la calibration

Ces guides sont constitués en moyenne d’une vingtaine de pages et doivent être le plus exhaustifs possible. En plus des guides de calibration, j’ai également réalisé des démarches d’utilisation de certains systèmes et notamment du contrôleur graphique. Ces procédures sont plus courtes (environ 2 pages) et ne doivent présenter que les éléments principaux les plus utilisés. Il s’agit d’être le plus concis possible tout en n’omettant pas de points importants.

Suivant les différents types de machines, la calibration est tout de même assez similaire, hormis celle des pelleteuses qui est légèrement plus complexe et peut être réalisée de deux façons assez différentes.


36 4.2.1 ÉLÉMENTS DE MÉTROLOGIE DE LA MACHINE

Pour toutes les machines, une première phase concerne les mesures des éléments de métrologie de la machine et notamment de ceux de la position du prisme, de l’antenne GNSS, ou du récepteur mmGPS par rapport à l’instrument de travail à savoir :

- La hauteur de l’antenne qui correspond à la distance inclinée entre le milieu de l’antenne (ou du prisme) et le bas de la lame.

- Le décalage transversal correspondant à la distance horizontale depuis le bord extérieur de la lame le plus proche jusqu’à l’axe du mât

- Le recul de l’antenne par rapport à la lame : afin de la déterminer, il est nécessaire de positionner le mât à la verticale à l’aide d’un niveau électronique ou ordinaire, puis à l’aide d’un fil à plomb, mesurer le décalage entre l’axe du mât et le bord inférieur de la lame.

- La largeur de la lame au niveau du sol

Figure 50 – Différents éléments relatifs à la position du mât par rapport à la lame à prendre en compte lors de la calibration (réalisations personnelles)

Ces mesures sont réalisées à l’aide d’un ruban. On peut estimer que la précision de ces

mesures est donc d’environ ± 5 mm, ce qui est suffisant pour de telles machines. Les lames sont parfois tellement abimées que l’on peut voir à l’œil les déformations ; la précision donnée par un ruban est donc tout à fait suffisante.

Deux systèmes requièrent un nombre plus important de mesures : Il s’agit du système pour pelle et du système 3DMC². En effet, sur les pelles, les antennes GNSS sont situées sur le contrepoids à l’arrière de la machine et ne sont donc pas à l’aplomb de l’outil de travail comme c’est le cas pour la majorité des autres machines.

Les mesures complémentaires à prendre pour une pelleteuse sont donc : - La position des antennes GNSS - La hauteur des antennes GNSS - La longueur de la flèche - La longueur du balancier - Les dimensions du godet

Figure 51 – Exemple des mesures complémentaires à prendre pour le système pelle – Capture d’écran du logiciel 3DMC (captures d’écran modifiées)


37 Pour relever ces différentes mesures, deux méthodes sont possibles : en utilisant un ruban ou un tachéomètre : la deuxième solution étant évidemment recommandée, car plus précise. Avec le tachéomètre, il suffit de placer la pelle sur un terrain le plus plat possible, flèche et balancier dépliés, et godet posé sur le sol sans pression, puis de mettre en station un tachéomètre de façon à ce qu’il se trouve, plus ou moins, perpendiculaire à l’axe du bras de la pelle. Depuis la station, il est nécessaire de pouvoir voir les deux antennes, le pivot de flèche, de balancier et de godet.

Enfin il suffit de relever les coordonnées locales des points suivants :

- Antenne principale (main) - Antenne auxiliaire - Pivot flèche - Z d’un point au sol - Pivot balancier - Pivot godet

puis de les insérer dans un fichier Excel qui calcule ensuite automatiquement les différentes dimensions requises pour la calibration.

Le second système sollicitant des informations complémentaires est le système 3DMC² pour bulldozer. En effet, il est nécessaire de déterminer, en plus des informations relatives à la position des antennes, celles relatives à la position du capteur MC².

Figure 52 – Mesures complémentaires pour un système 3DMC² sur bulldozer (Capture d’écran 3DMC)

La calibration des capteurs est différente suivant le type de machine concerné. Néanmoins,

certaines procédures sont assez similaires. La calibration des capteurs est ici expliquée capteur par capteur mais, dans le cas d’une niveleuse, une même procédure permet de tous les calibrer en une fois (cf. annexe II – Guide de calibration niveleuse GPS – mmGPS –MC²)

4.2.2 CALIBRATION DU CAPTEUR DE DEVERS

Pour calibrer un capteur de devers, il est nécessaire de poser l’outil de travail au sol et sans pression afin de ne pas fausser la calibration. Il est recommandé, si possible, de poser la lame sur des tasseaux. Dans 3DMC, il faut valider cette étape puis faire demi-tour avec la machine et reposer la lame au même emplacement. Il faut une nouvelle fois valider la position. Le contrôleur graphique affiche alors les résultats et notamment l’écart entre les deux positions. Celui-ci doit être inférieur à 0.1°, sinon il est préférable de réaliser de nouveau les opérations précédentes.

Il est possible de contrôler le résultat obtenu en levant la lame de quelques centimètres puis de poser un niveau électronique sous la lame. Les valeurs affichées par le contrôleur graphique et le niveau doivent être égales à ± 0.1° près. Dans le cas contraire, il est possible d’ajuster directement la valeur sur le contrôleur graphique.


38

Figure 53 – Comparaison de la valeur indiquée par le niveau électronique est celle indiquée par le logiciel 3DMC (Topcon)

4.2.3 CALIBRATION DU CAPTEUR DE ROTATION

Le capteur de rotation est calibré pour une lame perpendiculaire au châssis poutre de la niveleuse et centrée sur le versoir. Pour centrer la lame, il suffit de mesurer le dépassement latéral de la lame de chaque côté et de la bouger jusqu’à ce que les deux valeurs soient identiques à quelques millimètres près.

Dans un second temps, il faut la mettre perpendiculaire au châssis-poutre. Dans ce cas, il faut mesurer les deux distances du coin supérieur de la lame (depuis le coin gauche et depuis le coin droit) à l’axe de support du cercle porte-lame. Les deux distances doivent être égales sinon il suffit de tourner légèrement la lame jusqu’à obtenir les mêmes côtes pour les deux côtés de lame.

Figure 55 – Références des mesures pour placer la lame perpendiculaire au châssis poutre. À gauche : bord supérieur droit de la

lame / à droite : axe droit du support du cercle porte-lame (images personnelles)

Il existe sur la plupart des niveleuses des flèches installées sur le cercle et sur la lame pour indiquer la position de perpendicularité. Néanmoins, il est préférable de ne pas s’y fier, car ces derniers sont souvent mal placés. Sur trois installations de niveleuse que j’ai eu l’occasion de réaliser, 1 seul de ces indicateurs était correctement placé. Une fois la lame dans la bonne position, il est donc conseillé de les replacer correctement.

4.2.4 CALIBRATION DU CAPTEUR DE PENTE LONGITUDINALE

Le capteur de pente longitudinale est calibré d’une manière tout à fait similaire à celle du capteur de devers. Pour cela, il faut poser la lame au sol (ou sur des tasseaux) sans pression et marquer cette position ainsi que celle des essieux. La machine doit réaliser un demi-tour puis replacer la lame sur les mêmes marques tout en ayant conservé l’alignement de la première position.

Figure 54 – Centrage de la lame (image personnelle)


39

Figure 56 – Positions 1 (à gauche) et 2 (à droite) de la calibration du capteur de pente longitudinale (réalisation personnelle)

Il faut enregistrer chacune des positions dans le contrôleur graphique qui, comme pour le capteur de devers, affichera ensuite la différence obtenue entre les deux positions. La valeur affichée doit également être de l’ordre de ± 0.1°.

4.2.5 CALIBRATION DES CAPTEURS TS-1 SUR PELLE

Comme expliqué précédemment, il existe deux façons de calibrer les pelles : à l’aide d’un tachéomètre ou à l’aide d’un niveau laser, d’un fil à plomb et d’un ruban. Dans le cas où les points sont enregistrés avec le tachéomètre, les différentes informations de calibration (à savoir les angles des différents capteurs) sont calculées par le fichier Excel.

Les informations, exposées ci-dessous, montrent comment les capteurs sont calibrés en l’absence de tachéomètre.

Pour le capteur de tourelle, il faut placer le godet et le balancier repliés (afin de réduire le basculement) la tourelle parallèle aux chenilles et inscrire 0° comme valeur de tangage et de roulis dans le contrôleur graphique. Puis, sans bouger les chenilles, il faut réaliser une rotation de la tourelle de 180°, noter les valeurs indiquées pour le roulis et le tangage et les réduire de moitié.

Figure 57 – Calibration du capteur de tourelle (Topcon modifié)

Si la pelle ne déplace pas ses chenilles, la valeur actuelle du roulis devra être inscrite pour

l’ensemble des capteurs. En ce qui concerne le capteur de bras (ou flèche), il faut aligner horizontalement, à l’aide d’un

niveau laser, le pivot de flèche et le pivot de balancier puis ajuster le tangage à 0°.

Figure 59 – Calibration de capteur de flèche (Topcon modifié)

Figure 58 - Calibration du capteur de balancier

(Topcon modifié)


40 Pour le capteur de balancier, il faut aligner verticalement le pivot de balancier et le pivot de

godet à l’aide d’un fil à plomb puis ajuster la valeur de tangage à -90°.

Enfin, il est nécessaire de calibrer le capteur de godet. Néanmoins, étant donné qu’il existe plusieurs procédures (suivant le type de godet) et afin de ne pas surcharger le mémoire, vous trouverez le guide complet de calibration pour la pelle en annexe de ce rapport (cf. annexe III – Guide de calibration et de vérification pour le système X63 – sans tachéomètre).

4.2.6 CALIBRATION DES ÉLECTROVANNES

Pour toutes les techniques de contrôle de machine où l’hydraulique de la machine est asservie par le système de guidage, il est nécessaire de réaliser une calibration des électrovannes. Ce réglage correspond à l’impulsion minimale qu’il est nécessaire d’envoyer aux vannes afin que le vérin rentre en mouvement. Les valeurs doivent être réglées de telle manière que le vérin d’élévation et le vérin de pente commencent juste à bouger. En dessous de cette valeur, la réaction des vérins sera inexistante ou beaucoup trop lente et, en dessus le mouvement sera trop rapide et pourra créer des « trous » lors du terrassement ou de la finition.

On peut effectuer cette calibration à l’œil et, dès que l’on commence à voir le vérin bouger, on enregistre la valeur. Une deuxième solution consiste à poser le pouce sur le vérin et à enregistrer la valeur dès que l’on sent le vérin bouger.

4.2.7 CONTRÔLE DE LA CALIBRATION

Une fois la calibration terminée et la machine créée dans le contrôleur graphique, il est nécessaire de s’assurer que tous les capteurs fonctionnent normalement et que les coordonnées données par la machine correspondent bien à celles de points de contrôle.

Tout d’abord, si un capteur a été mal branché, ou s’il ne fonctionne pas, un message apparait sur le contrôleur graphique annonçant « Capteur hors ligne ». Dans ce cas, il est nécessaire de contrôler le branchement.

Dans le cas où tous les capteurs fonctionnent bien, les voyants en bas du contrôleur sont verts. Il est donc possible de démarrer la phase de contrôle de la calibration. Pour ce faire, un piquet dont les coordonnées sont connues, est mis en place par un topographe. Il suffit ensuite de venir placer un des coins de la lame (ou autre outil de travail) sur le piquet et de comparer les coordonnées indiquées par le contrôleur graphique à celles du piquet. Dans le cas d’une installation d’un système GNSS, la tolérance d’écart entre les 2 mesures est de 2 cm pour les coordonnées E et N et de 3 cm pour l’élévation.

Ce test est réalisé dans différentes positions de la lame, avec des angles de rotation et d’inclinaison si possible différents. Enfin le contrôle est également réalisé en différents points de la lame dont on peut également faire afficher les coordonnées.

Dans le cas où les écarts entre les coordonnées seraient hors tolérances, il convient de réaliser une nouvelle fois la calibration d’un ou des capteurs.


41 Lorsque la machine est rendue au chauffeur, celle-ci doit être en état de fonctionner

directement et de fournir des indications correctes. Il est, en effet, préférable de garder la machine quelques heures de plus, bien que l’immobilisation de telles machines coûte cher, afin de rechercher la cause du problème plutôt que de la renvoyer sur le chantier avec une solution n’étant pas réglée de manière optimale.

Il est souvent rapide de trouver l’origine du problème, notamment dans l’enregistrement des 4 mesures relatives à la position de l’antenne : inscription d’un mauvais signe, mauvaise place de la virgule pour l’inscription de la mesure (ex : 36,45 au lieu de 3,645)…

4.2.8 VÉRIFICATION PÉRIODIQUE DE LA CALIBRATION

Bien que le système en lui-même ne soit pas ou peu soumis à l’usure, il est important de ne pas oublier qu’ils sont installés sur des machines de travaux publics et que ces engins sont soumis à une usure mécanique importante. Les changements qui résultent de cette usure doivent être communiqués au contrôleur graphique. La calibration doit donc être vérifiée à intervalle régulier et corrigée le cas échéant.

Figure 60 – Signes d’usures sur une niveleuse (Topcon)

Une usure prononcée d’un des éléments de la niveleuse peut se faire ressentir par une diminution de la qualité et de la précision de travail. Pour éviter ce désagrément, il est conseillé de vérifier les indications du capteur de devers toutes les semaines et celles des capteurs de pente longitudinale et de rotation tous les mois environ.

Enfin, si cela est possible, il est recommandé, chaque matin avant de commencer les travaux, de contrôler les informations données par le contrôleur graphique sur un point connu.

4.2.9 RÉALISATION D’UN BANC DE TEST POUR LE SYSTÈME PELLE

Afin de pouvoir vérifier et contrôler les capteurs revenant au SAV, Topcon a décidé de mettre en place un banc de contrôle. J’ai donc été associé à sa réalisation.

Nous avons ainsi réalisé avec l’aide de Yann COSTANTIN, installateur machine contrôle pour Topcon, une « maquette » de pelleteuse miniature sur laquelle les différents capteurs peuvent être installés.


42

Figure 61 – Construction de la maquette de pelleteuse et son évolution (photos personnelles)

Ainsi, lors de la préparation et de la vérification du matériel avant installation, il est possible de contrôler qu’il n’y ait pas de problèmes avec les câbles et les capteurs. Une vérification rapide avec le contrôleur graphique peut ainsi être réalisée, ce qui permet d’éviter les aléas de dernière minute sur le terrain.

De plus, la maquette permet de montrer de façon succincte à d’éventuels futurs clients le principe de fonctionnement du système 3D pour pelle. Il est possible de lui montrer comment le mouvement des différents organes de la pelle sont reproduits à l’identique sur l’écran.

Un autre banc de contrôle devait être réalisé pour la niveleuse, par contre dans ce cas il aurait fallu le raccorder à un système hydraulique, ce qui impliquait un coût d’installation trop élevé ainsi qu’une place relativement importante, qui n’était pas forcément disponible. De plus, l’un des partenaires de Topcon, Geo Equipement dispose déjà d’un tel banc. En cas de problème important, il peut être utile de se rendre sur leur site pour vérification. Cependant, il est tout de même possible de contrôler le capteur de rotation à l’aide d’un multimètre. Nous avons également réalisé un branchement simplifié pour pouvoir contrôler le capteur de devers.

Toutefois, il est extrêmement rare de voir des capteurs revenir au SAV pour défaut de fonctionnement. En effet, il s’agit de capteurs très robustes et éprouvés pour le BTP. Les erreurs de fonctionnement proviennent majoritairement d’un problème sur le connecteur suite à un choc important, de l’arrachage d’un câble ou alors d’un problème de calibration. Pendant toute la durée du PFE, aucun capteur n’a eu besoin d’être réparé pour un problème interne.

Une fois, l’installation et la calibration terminées, il est possible de profiter des multiples

avantages que procurent les techniques de guidage d’engins. Celles-ci seront détaillées dans le chapitre suivant.


43 5 APPORTS EFFECTIFS ET AVANTAGES DU GUIDAGE 3D

Afin de quantifier les avantages que peuvent procurer les techniques de guidage d’engins, et pour contrôler ou infirmer les résultats obtenus par l’étude menée par Caterpillar [2006] ou par Jonasson & al. [2002], j’ai réalisé une étude de productivité pour la niveleuse, le bulldozer et la pelle. De plus, dans le but de déterminer le gain financier et de temps obtenus, il a été nécessaire d’estimer le coût horaire d’exploitation de ces trois machines en m’appuyant sur le document technique réalisé par Komatsu [2009] (cf. annexe IV – Calcul des coûts par Komatsu) et faisant référence dans la détermination de ces calculs.

En effet, il est aujourd’hui indispensable d’avoir la meilleure rentabilité possible d’un engin de terrassement afin de pouvoir rester compétitif vis-à-vis de la concurrence. La rentabilité maximale d’un engin peut être déterminée de la manière suivante :

𝑅𝑒𝑛𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡é 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑢𝑚 = 𝐶𝑜û𝑡 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑢𝑚

Le coût horaire d’une machine prend en compte : son prix d’achat, de revente, le coût

engendré par les intérêts, l’assurance, la taxe de propreté, le coût du carburant, la maintenance planifiée, l’usure des pneus, de la lame…

5.1 DÉTERMINATION DU COUT HORAIRE DES MACHINES

Les engins de travaux publics sont des machines très onéreuses (plus de 200 000€ pour la plupart), il est donc primordial que ces machines tournent en continu sur un chantier, car une machine qui serait à l’arrêt correspond à de l’argent qui se perd.

Dans le but d’avoir une meilleure idée de ce que peut coûter une machine par heure, et de ce que peut apporter le guidage, j’ai réalisé un estimatif des coûts horaires engendrés par ces machines. Le coût d’exploitation horaire fait intervenir de nombreux paramètres tels que l’on peut le constater dans le document technique de Komatsu [2009] à savoir : Le prix d’achat de la machine, de revente, les différentes taxes, l’entretien de la machine, le carburant, l’usure des pièces et aussi le coût du chauffeur.

Les paramètres utilisés pour la détermination du coût horaire sont les suivants :

Engin Niveleuse CAT 14M

Bulldozer Komatsu D61

Consommation (L/h) 28 17 Prix carburant (€/L) 0.8 0.8 Durée de vie de la lame/godet (h) 500 4500 Prix lame/godet (€) 1000 10000 Durée de vie des pneus/chenilles (h) 2000 1800 Prix de l'ensemble des pneus/chenilles (€) 18000 5000 Durée d'amortissement (an) 6 6 Utilisation prévisionnelle (h/an) 1800 1800 Utilisation totale (h) 10800 10800


44 Ainsi, à partir de ces données, il est possible de déterminer les coûts horaires de possession et d’utilisation de ces machines.

Figure 62 – Détermination de prix de revient horaire (en €) avec et sans guidage 3D pour une niveleuse (à gauche) et un bulldozer (à

droite) (réalisations personnelles)

On peut voir que l’équipement d’une solution 3D sur une machine entraine un coût horaire supplémentaire compris entre 8 et 10€. Néanmoins, il s’agit d’une estimation en supposant que l’équipement reste sur la machine même si cette dernière ne fonctionne pas. Or, il est tout à fait possible qu’il soit transféré vers une autre machine pendant ce temps, ce qui réduirait cette valeur. Néanmoins, nous utiliserons ces données pour les calculs.

5.2 DÉTERMINATION DE LA PRODUCTIVITÉ DES MACHINES

5.2.1 PRODUCTIVITÉ D’UNE PELLE

Komatsu [2009] donne la formule suivante pour la détermination de la productivité de la pelle :

𝑃 (𝑚3 ℎ⁄ ) = 𝐶𝑔(𝑚3) ∗ 𝐹𝑔 ∗3600𝐶

∗ 𝐹𝑐

Équation 8 – Détermination de la productivité d’une pelleteuse (Komatsu [2009]) Cg : Capacité du godet Fg : Facteur de remplissage du godet C : Durée d’un cycle Fc : Coefficient correcteur

Le coefficient correcteur prend en compte la durée de travail effective par heure, le type de matériaux traités, la technique employée, la visibilité, l’expérience du chauffeur…Tous ces paramètres ne sont pas variables en fonction de l’emploi ou non d’un système de guidage.

Pour réaliser la comparaison entre un travail avec et sans l’utilisation d’un système de guidage, nous n’utiliserons que le temps de travail effectif ainsi que l’expérience du conducteur et nous supposerons les autres paramètres équivalents.


45 En effet, le temps de travail effectif est augmenté lorsque l’on emploie des techniques de guidage, car le chauffeur n’a plus besoin d’attendre la mise en place des piquets d’implantation, n’a plus besoin de descendre de la machine pour contrôler le travail… En outre, on peut assimiler l’emploi d’un système de guidage en mode automatique à une augmentation de l’expérience du conducteur. Dans le cas de l’utilisation en mode automatique le devers et la hauteur se règlent automatiquement en fonction du projet et cela en un nombre minimum de passes, tout comme le ferait un excellent chauffeur.

Nous utiliserons donc le tableau suivant pour la détermination du coefficient correcteur :

Détermination du coefficient correcteur

Compétences du conducteur Elevée 1

Normale 0.75 Peu expérimenté 0.5

Temps de travail effectif par heure

60 min 1 50 min 0.83 45 min 0.75

Pour obtenir le facteur de correction global, il suffit de multiplier le coefficient correspondant

à la compétence du conducteur par celui du temps de travail effectif : on prendra donc dans le cas d’un guidage avec contrôle : 1 x 0.83 = 0.83, dans le cas d’un simple système d’indications (pelle) : 0.75 x 0.83 = 0.63 et 0.75 x 0.75 = 0.56 sans solution de guidage.

Utilisation du guidage Non Oui Capacité du godet (m3) Cg 1.68 1.68 Facteur de remplissage Fg 1 1 Capacité réelle (m3) 1.68 1.68 Temps standard par cycle (s) C 16 15 Coefficient correcteur Fj 0.65 0.83 Productivité (m3/h) 211 255 Gain +21%

Tableau 1 – Détermination du gain de productivité sur une pelle grâce à un système de guidage 3D (réalisation personnelle)

Nous pouvons voir que l’augmentation de productivité de la pelleteuse n’est que de 20% : en

effet, il ne s’agit que d’un système d’indications et non de contrôle. L’augmentation de la productivité est donc moins importante qu’avec les systèmes pour bulldozer et niveleuse comme nous pourrons le voir dans les sous-parties suivantes.


46 5.2.2 PRODUCTIVITÉ D’UNE NIVELEUSE

La productivité d’une niveleuse est déterminée par la relation suivante :

𝑃 (𝑚2 ℎ⁄ ) = 𝑉(𝑘𝑚 ℎ⁄ ) ∗ �𝐿𝑒(𝑚)− 𝑅(𝑚)� ∗ 1000 ∗ 𝐹𝑐

Équation 9 – Détermination de la productivité d’une niveleuse (Komatsu [2009]) V : Vitesse moyenne de travail Le : Largeur effective de la lame R : Largeur de recouvrement entre deux passes successives Fc : Coefficient correcteur

Utilisation du guidage Non Oui Vitesse de travail moyenne (km/h) V 4 6 Largeur brute de la lame (m) 3.7 3.7 Angle de rotation de la lame (°) 30 30 Largeur effective de la lame (m) C 3.2 3.2 Recouvrement entre deux passes (m) R 0.3 0.3 Facteur correction Fc 0.56 0.83 Productivité (m2/h) 6506 14463 Gain +122%

Tableau 2 - Détermination du gain de productivité sur une niveleuse grâce à un système de contrôle 3D (réalisation personnelle)

Nous pouvons noter ici une forte augmentation de la productivité, car plusieurs paramètres

peuvent être améliorés avec l’utilisation d’une technique de guidage 3D. Il est possible de rouler légèrement plus vite, car le chauffeur n’a pas besoin de trouver les informations de déblais/remblais sur le chantier, puisque tout est affiché sur son écran.

De plus, les entreprises ont de plus en plus de mal à trouver de bons conducteurs de niveleuse, car sa conduite requiert de l’expérience et de la technique. En mode automatique, le système vient « suppléer» le manque d’expérience du chauffeur. Ainsi, un conducteur avec peu d’expérience mais utilisant un système de guidage en mode automatique, pourra réaliser un travail de qualité équivalente à celle d’un conducteur expérimenté.

5.2.3 PRODUCTIVITÉ D’UN BULLDOZER

La productivité d’un bulldozer se calcule de la manière suivante :

𝑃 (𝑚3 ℎ⁄ ) = 𝐶𝑙 (𝑚3) ∗60

𝐶(min)∗ 𝑒 ∗ 𝐹𝑐 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝐶(min) =

𝐷𝑡(𝑚)𝑉𝑎𝑟(𝑚/𝑚𝑖𝑛)

+𝐷𝑡(𝑚)

𝑉𝑎𝑣(𝑚/𝑚𝑖𝑛)+ 𝐶𝑉(𝑚𝑖𝑛)

Équation 10 - Détermination de la productivité d’un bulldozer (Komatsu [2009]) Cl : Capacité de la lame C : Durée d’un cycle e : Coefficient de correction en fonction du site Fc : Coefficient correcteur Dt : Distance de transport


47 Vav : Vitesse en marche avant Var : Vitesse en marche arrière CV : Durée du changement de vitesse

Utilisation du guidage Non Oui Capacité de la lame (m3) Cl 3.8 3.8 Vitesse marche avant (m/min) Vav 130 160 Vitesse marche arrière (m/min) Var 75 95 Durée du changement de vitesse (min) CV 0.1 0.1 Distance de transport (m) Dt 200 200 Temps par cycle (min) C 4.3 3.5 Coefficient correcteur Fc 0.75 0.83 Productivité (m3/h) P 30 55 Gain +83%

Tableau 3 - Détermination du gain de productivité sur un bulldozer grâce à un système de contrôle 3D (réalisation personnelle)

Dans ce cas, nous pouvons noter une augmentation de productivité d’environ 80% ce qui est loin d’être négligeable.

5.3 ESTIMATION DES GAINS EFFECTIFS POSSIBLES SUR UN CHANTIER FICTIF

Afin d’estimer, en terme de temps et de coût, ce que peut représenter l’utilisation de ces

systèmes de positionnent, j’ai réalisé un exemple avec une zone de terrassement de 10 Ha sur laquelle se trouve environ 5000 m3 de terrassement à réaliser à l’aide d’un bulldozer.

La durée estimative de travail est donc de :

𝐷𝑢𝑟é𝑒 (𝑗𝑜𝑢𝑟𝑠) =𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡é 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑢𝑣𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒 (𝑚3)

𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡é �𝑚3

ℎ � ∗ 8 𝑒𝑛 𝑠𝑢𝑝𝑝𝑜𝑠𝑎𝑛𝑡 𝑢𝑛𝑒 𝑗𝑜𝑢𝑟𝑛é𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑣𝑎𝑖𝑙 𝑑𝑒 8 ℎ𝑒𝑢𝑟𝑒𝑠

Pour une meilleure lisibilité entre le travail avec et sans guidage d’engins, les résultats sont

exposés sous forme de tableaux :

Tableau 4 – Étude des gains financiers réalisés grâce à l’utilisation d’un système de contrôle de bulldozer (réalisation personnelle)


48 On peut donc voir que l’économie totale est ici d’environ 24000 €. On peut donc estimer que

le retour sur investissement peut être réalisé sur une saison de travail (environ 9 mois).

De la même manière, nous allons réalisé le calcul avec l’utilisation d’une niveleuse : cette fois pour une surface de travail de 6 Ha. Nous estimerons que le nombre de passes nécessaires pour obtenir le niveau souhaité est de 6 sans guidage d’engin et de 4 avec une solution de guidage 3D.

Tableau 5 - Étude des gains financiers réalisés grâce à l’utilisation d’un système de contrôle de niveleuse (réalisation personnelle)

Encore une fois, le gain en temps de réalisation est directement proportionnel au gain de

productivité. De plus, le guidage permet de faire des économies en terme de matériaux et de coût topographique.

Le gain lié à l’économie de matériaux peut encore être bien supérieur s’il s’agit de la

réalisation d’enrobé. Cette étude m’a permis de comparer mes résultats à ceux calculés par l’étude de Caterpillar

[2006] sur un chantier. Les résultats sont à peu près équivalents : ce qui démontre bien que les différents apports du guidage sont réellement effectifs sur le terrain. Nous retiendrons donc les résultats suivants :

- Un temps de construction divisé par 2 par rapport à une méthode traditionnelle - Une augmentation de la productivité d’environ 100 % - Une meilleure précision et un travail plus régulier - Un gain potentiel de carburant pour un même chantier d’environ 40%

Les grandes entreprises du BTP Français, telles que Eiffage, Bouygues, Vinci, Colas (pour ne citer qu’elles) ont bien compris l’apport que peut leur procurer le guidage d’engins. De plus, la période de retour sur investissement est assez faible ce qui encourage ces entreprises à s’équiper de plus en plus. Par exemple, sur le chantier de la ligne LGV SEA5, Vinci a déjà équipé de solutions TOPCON:

- 13 bulldozers - 8 niveleuses - 25 pelleteuses

Un potentiel équivalent reste encore à équiper d’ici à un an. 5 LGV SEA : Ligne à Grande Vitesse Sud Europe Atlantique reliant Tours à Bordeaux


49 5.4 LES AVANTAGES DU GUIDAGE D’ENGINS

Outre l’augmentation de la productivité, comme nous avons pu le voir précédemment et ainsi que le démontre l’article de Machineguidance.com.au [2010], les avantages apportés par l’utilisation des techniques de guidage d’engins 2D et surtout 3D sont nombreux. En effet, au fur et à mesure du PFE et des déplacements sur les chantiers, j’ai eu l’occasion de discuter avec les chauffeurs et me rendre compte de tous les atouts offerts par ces techniques dont certains sont décrits dans l’article édité par Machineguidance.com.au [2010].

5.4.1 RÉDUCTION GLOBALE DES COUTS

L’un des principaux avantages est lié à la réduction des coûts d’implantation. En effet, les conducteurs ont, en permanence, le plan sous les yeux grâce au contrôleur graphique présent dans la cabine. Il n’est donc plus nécessaire de mettre en place des piquets de terrassement et des chaises d’implantation aussi régulièrement. Ceci présente un énorme avantage car toute personne, ayant préalablement travaillé sur un chantier de TP, sait qu’il faut en permanence retourner sur le chantier pour remplacer des piquets arrachés ou déplacés. En outre, la présence continue d’un opérateur n’est pas nécessaire pour contrôler le travail effectué et donner des indications au conducteur de la machine.

Le gain apparait également au niveau des machines : en effet, l’utilisation d’un système de guidage permet de réduire le nombre de passes nécessaires pour obtenir le résultat attendu. Cela se répercute alors directement sur la consommation de carburant, mais également sur la dégradation moins rapide des pièces d’usure (lame, godet, chenille, pneus…) : ce qui est loin d’être négligeable sur le moyen à long terme. L’étude menée par Caterpillar [2006] démontre une diminution de la quantité de carburant consommé pour un même chantier pouvant aller jusqu’à 43%.

5.4.2 RÉDUCTION DE L’ERREUR HUMAINE

Avec le projet intégré dans le contrôleur graphique, l’erreur d’implantation est réduite au minimum. De plus, en mode automatique, la hauteur de la lame ainsi que son devers sont réglés automatiquement en fonction du projet. Le conducteur n’a plus besoin de lire sur les piquets de terrassement la côte à laquelle il doit travailler. Les erreurs d’interprétations et de lecture sont donc éliminées.

5.4.3 AUGMENTATION DE LA PRODUCTIVITÉ

Avec les systèmes de guidages, les engins peuvent travailler en continu ce qui permet une importante augmentation de la productivité. En effet, il n’est plus nécessaire d’attendre l’implantation des éléments ou même le contrôle du travail effectué. En outre, en utilisant des techniques de guidage d’engins aux différentes phases du terrassement il est possible de limiter la pluralité des engins nécessaires à la réalisation du chantier : un bulldozer pourra par exemple, dans certains cas et avec un système de guidage adapté, réaliser un travail quasi similaire à celui d’une niveleuse.

5.4.4 MEILLEURE QUALITÉ DE TRAVAIL

La précision que l’on peut attendre avec ces systèmes est égale ou supérieure à celle obtenue avec l’utilisation de moyens dits « classiques » et surtout le rendu plus régulier. Des études telles que


50 celle réalisée par Caterpillar [2006] montrent une diminution de la sur-excavation et l’augmentation significative du nombre de points dans la tolérance. On reprendra pour l’exemple, les résultats offerts par cette étude :

Figure 63 – Comparaison des hauteurs des points par rapport au projet – à gauche : sans guidage / à droite : avec

(Caterpillar [2006] modifié) En outre, un système de guidage 3D de pelle a l’avantage de permettre à l’opérateur de savoir en permanence où se trouve son godet. Il est donc possible, en installant les capteurs dans des boitiers étanches, de travailler sous l’eau. Ainsi, le travail pourra être contrôlé et réalisé correctement sans trop de difficultés.

5.4.5 AUGMENTATION DE LA SÉCURITÉ SUR LES CHANTIERS

Lors des terrassements classiques, il est nécessaire qu’un opérateur donne des indications à la niveleuse, que ce soit avec l’utilisation de nivelettes, de marques de cotes au sol ou encore par l’implantation de piquets de terrassement. Avec le système de guidage, il n’est plus nécessaire qu’une personne contrôle le travail derrière la machine et ainsi plusieurs engins peuvent travailler simultanément sans risquer d’accrocher quelqu’un. Dans le cas de la réalisation d’une tranchée, il n’est pas nécessaire de descendre dans la fouille pour contrôler la profondeur.

De plus, comme l’évoque Diegelmann [2008], il est possible d’intégrer dans le contrôle graphique des zones dites « zone à éviter » ainsi, si l’engin rentre dans la zone préalablement définie, une alarme sonore retentit et l’écran clignote. Le chauffeur sait qu’il doit donc s’arrêter pour éviter la zone.

5.4.6 ÉVOLUTIVITÉ DES SYSTÈMES

La plupart des solutions proposées dans le guidage sont évolutives : en effet, il est possible de passer assez simplement d’un système 2D à 3D ou bien encore d’ajouter de nouveaux capteurs à la configuration de base pour améliorer la précision de travail des engins. De plus, une même solution peut être appliquée sur plusieurs engins différents. En effet, chez TOPCON, les diverses solutions tournent autour d’un même duo de base à savoir le MC-R3 (récepteur radio GNSS, récepteur GNSS, récepteur radio LPS) et le GX-60 (contrôleur graphique). En rajoutant seulement quelques options, il est possible par exemple de transférer l’équipement LPS d’une niveleuse à un bulldozer GNSS pré équipé.

Figure 64 – Exemples de situations à risques évitables grâce au guidage (Topcon)


51

Figure 65 – Évolution des systèmes TOPCON mais conservation de la compatibilité (Topcon)

5.4.7 SIMPLICITÉ D’UTILISATION

L’écran de contrôle TOPCON est très simple d’utilisation, son apprentissage est très rapide et permet au conducteur de devenir assez vite autonome. Une rapide formation d’une demi-journée est suffisante pour lui faire découvrir les principales fonctions dont il aura principalement l’utilité. Les fonctions principales du logiciel de guidage 3DMC sont présentées dans l’annexe V. Il faut néanmoins admettre que, dans un premier temps, tous les chauffeurs ne sont pas enthousiastes face à l’arrivée de ces systèmes dans leur engin. Néanmoins, après une courte période d’utilisation, ces derniers s’habituent très vite aux avantages que procure le guidage. Pour le chauffeur, il s’agit en effet d’une solution apportant un réel confort d’utilisation. Il n’est d’ailleurs pas rare de voir des conducteurs qui ne veulent (peuvent ?) plus se passer du guidage.

5.4.8 ASSISTANCE ET SUIVI EN TEMPS REEL – SITELINK (TOPCON)

L’option SiteLink est une solution de communication du site qui permet de transférer des données du bureau à la machine, de la machine au bureau et une communication entre machines. Ainsi, il possible de suivre en temps réel le travail des engins, leur productivité, de leur faire parvenir des modifications de plan, ou encore d’intervenir directement et à distance sur le contrôleur graphique si le chauffeur a besoin d’une assistance. Ainsi que l’annoncent Strum & Vos [2008], il s’agit d’un avantage pour le chauffeur mais également pour le gestionnaire pour qui, il n’est alors plus obligatoire de se rendre sur place afin de résoudre certains problèmes (on peut constater au passage d’autres gains de temps et productivité sur des postes non pris en compte précédemment). De plus, pour une personne devant gérer le parc matériel sur un chantier d’une ampleur telle que celui de la LGV SEA, il est toujours appréciable de pouvoir connaitre la position des machines en temps réel.

Figure 66 - aperçu du travail en temps réel via Site Link (Topcon)


52 5.4.9 BIENTOT DES MACHINES ENTIEREMENT EQUIPEES D’USINE

Aujourd’hui la plupart des solutions sont installées à l’extérieur de la machine, au moins en ce qui concerne les capteurs et les mâts. Par exemple, sur un bulldozer ou une niveleuse, le mât est installé sur la lame. Bien que relativement peu d’incidents surviennent sur ces derniers, ils se situent dans une zone potentiellement à risques. Il en est de même pour les capteurs, câbles, qui, bien que gainés et protégés au maximum, sont des pièces pouvant être arrachées. Lors du salon de la Bauma (plus grand salon de TP au monde) 2013 à Munich, Komatsu en partenariat avec Topcon a présenté son système de « contrôle intelligent » ainsi que deux prototypes, en phase de devenir des produits de série d’ici la fin de l’année : un bulldozer D61PXi-23 et une pelle PC-210i. La nouveauté de ces machines est qu’elles sont totalement équipées du système de contrôle dès la sortie de l’usine et que les capteurs sont intégrés directement dans les vérins : ce qui permet d’éviter de rajouter des appendices extérieurs sur la machine. Enfin, dans le cas du bulldozer, l’antenne GNSS habituellement placée sur la lame, a été miniaturisée et rapatriée sur le toit de la machine.

Figure 67 – Prototype de bulldozer Komatsu D61PXi-23 entièrement équipé de série du « Komatsu inteligent control » (Komatsu.eu)

C’est dans ce sens, de l’intégration complète d’usine, que devrait s’orienter le guidage d’engin. Fort des partenariats existant entre les équipementiers de guidage d’engins et des fabricants des machines, il existe aujourd’hui des machines sortant d’usine dites « plug & play » sur lesquelles il ne reste plus qu’à installer les capteurs, les antennes et le contrôleur graphique. En effet, les machines sont précâblées et les supports des différents éléments sont déjà présents. On notera par exemple le fort partenariat entre Topcon et Komatsu ainsi que celui entre Trimble et Caterpillar. L’inconvénient est, qu’à l’heure actuelle, les systèmes ne sont pas compatibles entre eux et que si l’on souhaite installer une solution Topcon sur une machine prééquipée Caterpillar il est nécessaire de remettre en place tous les câbles…(comme sur une machine qui ne serait pas prééquipée). Les fabricants de solutions de guidage recherchent perpétuellement de tels partenariats, car ils permettent, en plus de réduire le coût direct du système, de pouvoir proposer l’installation complète de la solution en moins d’une demi-journée quand un à deux jours sont necessaires lorsqu’il faut entièrement câbler la machine, mettre en place un bloc hydraulique…


53 CONCLUSION ET PERSPECTIVES Ce PFE fourni par la société Topcon France Positioning avait pour objectif l’étude et

l’optimisation des systèmes 3D de positionnement TOPCON sur les machines de travaux publics.

L’étude bibliographie menée lors des premières semaines de ce travail m’a permis d’acquérir une connaissance générale de ce domaine particulier qu’est le guidage d’engins, indispensable pour l’étude des différents systèmes. En effet, il s’agit d’un domaine pluridisciplinaire mélangeant topographie, mécanique, hydraulique… Ces différentes références m’ont fait découvrir l’ensemble des solutions existantes à ce jour, les types de machines pouvant être équipées, les principaux fabricants de ces solutions. Cette étude préalable a également souligné les nombreux avantages offerts par ces techniques et cela notamment par le biais de nombreux témoignages se trouvant sur internet. Pour rester objectif, il convient de souligner que la majorité des retours d’expériences disponibles proviennent de sources américaines : en effet, dans ce pays les solutions de positionnement pour les engins de travaux publics ont connu un développement bien plus rapide qu’en France. Une fois la théorie de ces systèmes maitrisée, j’ai pu m’intéresser plus particulièrement aux solutions proposées par Topcon. J’ai alors pu retrouver la quasi intégralité des techniques que j’avais découvertes lors de l’étude bibliographique. Afin de pouvoir démocratiser ce domaine, finalement assez peu connu, j’ai mis en place un site web ainsi qu’une base de données regroupant l’intégralité des solutions Topcon. Le but de cette base de données étant d’être la plus exhaustive possible, je ne me suis pas contenté des systèmes 3D mais de tous les systèmes.

Afin de pouvoir associer les engins aux différentes solutions les plus avantageuses pour chacun, j’ai réalisé une étude de précision du système pour pelle et du système millimeter GPS. La première étude m’a notamment permis de mettre en avant l’importance des différents capteurs tout en contrôlant la précision de travail qu’il est possible d’obtenir avec ce système. La seconde de déterminer la qualité de l’information altimétrique que l’on peut obtenir à partir de ce système hybride et exclusif à Topcon. Néanmoins, pour que la précision théorique de ces systèmes puisse être respectée il est primordiale de réaliser une bonne calibration. Dans le but d’optimiser les procédures de calibration, il a fallu mettre en place des guides expliquant ces procédures. En effet, ces documents permettent d’optimiser la durée de la calibration mais également de garantir une précision optimale. En effet, en employant une même procédure déjà éprouvée, cela évite de faire des erreurs et de perdre inutilement du temps lors de l’installation, surtout lorsque l’on connait les coûts d’immobilisation de telles machines. D’autres guides, plus généraux, ont également été mis en place, notamment pour la présentation du logiciel 3DMC utilisé pour le guidage, le paramétrage des récepteurs GNSS et radio, de l’utilisation d’une station totale en mode LPS… Les différentes visites sur les chantiers m’ayant permis, au fur et à mesure, de compléter ces guides en fonction des réels besoins des utilisateurs. Enfin, une « maquette » de pelle a été créée afin de pouvoir contrôler les capteurs et montrer aux potentiels clients la manière par laquelle l’ensemble de la cinématique de la pelle est retransmise. Enfin, une étude de gain effectif a été menée afin de quantifier une partie des avantages que procurent les systèmes de guidage. Cela m’ayant permis de déterminer les gains financiers, de productivité et de temps qu’il est possible d’obtenir à savoir notamment une augmentation de la productivité proche de 100% pour les systèmes de contrôle de machine et de l’ordre de 25% pour les systèmes d’indications.


54 Néanmoins, ces systèmes ne se rependent actuellement pas très vite : en effet, lorsque l’on compare le nombre de ventes de pelleteuses en 2012 en Europe (à savoir environ 26000 machines) au nombre de systèmes 3D pour pelle vendu toutes marques confondues (à savoir environ 1400 - soit environ 5%), on se rend vite compte du potentiel existant. Ce pourcentage est cependant plus proche de 10% pour les autres types de machines6. Différents phénomènes pourraient en expliquer la raison :

- Tout d’abord, le prix des systèmes, à savoir environ 60000€ en moyenne, pour un système 3D peut encore faire peur aux plus petites entreprises n’ayant pas forcément les moyens pour cet investissement. De plus, le milieu du BTP a été impacté de manière non négligeable par la crise de 2009. Encore aujourd’hui, l’activité n’est pas entièrement repartie.

- En outre, pour ressentir 100% des avantages de ses systèmes, il faudrait que toutes les machines de productions soient équipées en guidage car, si certaines machines ne sont pas équipées, il n’est pas possible de se dispenser (autant qu’il serait possible) des piquets, chaises d’implantation ... De la même manière, la disparition de références sur le terrain peut être un inconvénient pour les chefs de chantier, qui sont censés contrôler les terrassements : bien qu’avec l’utilisation des systèmes GNSS, il soit beaucoup plus facile et rapide d’obtenir une position de précision subcentimétrique sur la plupart des points du chantier.

- Pour utiliser pleinement un système 3D il est nécessaire d’avoir un « MNT projet » parfait, or pour de petits chantiers celui-ci n’est pas forcement créé.

- Enfin, cette évolution peut entrainer une forme de transfert des compétences, ce qui n’est pas forcement bien accepté.

Au vu de l’ensemble de ces différentes études et résultats, il est possible de conclure que les solutions de positionnement 3D pour les machines de travaux publics peuvent s’imposer comme une des solutions de l’équation à laquelle il est nécessaire de répondre pour rester compétitif aujourd’hui dans le monde du BTP à savoir : « Faire mieux, plus vite, en consommant moins et à des coûts globaux inférieurs », cependant elles ne sont pas à la portée de toutes les entreprises et justifiables pour tous les types de chantiers.

6 Chiffres provenant d’une conférence organisée par Topcon Europe.


55 TABLE DES ILLUSTRATIONS FIGURES

Figure 1 – Bâtiment Topcon France à Mâcon (71) ................................................................................................. 6 Figure 2 - Principe du GNSS RTK (Topcon) .......................................................................................................... 8 Figure 3 - Guidage de niveleuse par station totale (www.kelloggreport.com) ........................................................ 9 Figure 4 - Système GNSS augmenté Trimble (trimble.fr) .................................................................................... 10 Figure 5 - Système mmGPS Topcon (topcontotalcare.com) ................................................................................. 10 Figure 6 – Système laser (Stempfhuber [2006] modifié) ...................................................................................... 11 Figure 7 - Palpeur sonique mono point (Magazine Road News) .......................................................................... 12 Figure 8 – Palpeurs soniques multipoints (Topcon) .............................................................................................. 12 Figure 9 – Poutre scanner (Magazine Road News) ............................................................................................... 12 Figure 10 - Bulldozer komatsu D61 (image personnelle) ..................................................................................... 13 Figure 11 - Niveleuse CAT 140M (photostp.free.fr modifié) ............................................................................... 13 Figure 12 - Pelleteuse Komatsu PC210 (Komatsu.fr modifié) .............................................................................. 13 Figure 13 - Fraiseuse Wirtgen (wirtgen.fr) ........................................................................................................... 13 Figure 14 - Finisseur Bomag (bomag.fr) ............................................................................................................... 14 Figure 15 – Correspondance entre phase de travaux et solution 3D de positionnement TOPCON utilisable (Topcon) ................................................................................................................................................................ 14 Figure 16 - Plages de tolérances pour différents types de machines (Stempfhuber [2006] modifié) .................... 15 Figure 17 – Niveleuse équipée d’un système d’antennes jumelles (Topcon)........................................................ 17 Figure 18 - Éléments constitutifs d’un système 3D GPS+ pour niveleuse (Topcon) ............................................ 17 Figure 19 - Composition du kit pelle X63 (Topcon modifié)................................................................................ 18 Figure 20 – Guidage LPS (Topcon) ...................................................................................................................... 18 Figure 21 - Émission du laser mmGPS (Topcon) ................................................................................................. 19 Figure 22 – Émission du mmGPS sous la forme de 3 plans formant un N (Topcon modifié) .............................. 20 Figure 23 – Système 3DMC² (tpi.com.pl) ............................................................................................................. 20 Figure 24 – Compatibilité entre les différents systèmes (création personnelle) .................................................... 21 Figure 25 – Aperçus de différentes machines dans le logiciel 3DMC en vue 2D (captures d’écran) ................... 21 Figure 26 – Tableau récapitulatif simplifié des types de solutions proposées (Topcon modifié) ......................... 21 Figure 27 – Tableau d’aide au choix du type de technologie à employer en fonction des besoins ....................... 23 Figure 28 – Captures d’écran du site internet guidage-topcon.fr.nf / Gauche : Page d’accueil / Droite : Page solution (personnelle) ............................................................................................................................................ 23 Figure 29 – Exemples de statistiques obtenues après 3 jours de mise en ligne du site (capture d’écran) ............. 24 Figure 30 - Schéma de principe du calcul de la position relative du godet par rapport à la pelle ......................... 25 Figure 31 – Position de l’antenne principale (main) et de l’antenne auxiliaire (aux.) (Topcon modifié) ............. 27 Figure 32 – Fonctionnement du mmGPS (Cahart [2012]) .................................................................................... 28 Figure 33 – Principe d’émission du mmGPS (réalisation personnelle) ................................................................. 28 Figure 34 – Angle maximum en fonction de l’éloignement .................................................................................. 29 Figure 35 – Incertitude maximale sur la détermination de la dénivelée et sur l’altitude du point au niveau de la machine ................................................................................................................................................................ 29 Figure 36 – Influence de l’incertitude de distance sur la dénivelée (réalisation personnelle) ............................... 29 Figure 37 –Influence de l’incertitude de l’angle sur la dénivelée (réalisation personelle) .................................... 29 Figure 38 - Erreur sur la dénivelée calculée à différents distances et angles par rapport à une visée horizontale (delta angle = 0°) .................................................................................................................................................. 30 Figure 39 –Dévers de la lame sur une niveleuse (www.kelloggreport.com) ......................................................... 31 Figure 40 – Capteur de devers installé sur la couronne d’une niveleuse (Topcon) ............................................... 31 Figure 41 –Pente longitudinale (www.kelloggreport.com) ................................................................................... 32 Figure 42 – Capteur de pente longitudinale installé sur une niveleuse (Topcon).................................................. 32 Figure 43 – Rotation de la lame d’une niveleuse (Topcon) .................................................................................. 32 Figure 44 – Capteur de rotation (Topcon) ............................................................................................................. 32 Figure 45 – Maintien de l’alignement des 2 vérins dans le sens de la pente (Topcon modifié) ............................ 33 Figure 46 – Capteur MC² (Topcon) ...................................................................................................................... 33


56 Figure 47 – Terrassement en cours de réalisation avec un système 3DMC² : le rendu est plus lisse (Topcon) .... 33 Figure 48 – Directions possibles de la flèche en fonction de celle du label (Topcon) .......................................... 34 Figure 49 – Organigramme de la méthodologie de mise en place des guides [réalisation personnelle] ............... 35 Figure 50 – Différents éléments relatifs à la position du mât par rapport à la lame à prendre en compte lors de la calibration ............................................................................................................................................................ 36 Figure 51 – Exemple des mesures complémentaires à prendre pour le système pelle – Capture d’écran du logiciel 3DMC (captures d’écran modifiées) ..................................................................................................................... 36 Figure 52 – Mesures complémentaires pour un système 3DMC² sur bulldozer (Capture d’écran 3DMC) .......... 37 Figure 53 – Comparaison de la valeur indiquée par le niveau électronique est celle indiquée par le logiciel 3DMC (Topcon) .................................................................................................................................................... 38 Figure 54 – Centrage de la lame (image personnelle) ........................................................................................... 38 Figure 55 – Références des mesures pour placer la lame perpendiculaire au châssis poutre. À gauche : bord supérieur droit de la lame / à droite : axe droit du support du cercle porte-lame (images personnelles)............... 38 Figure 56 – Positions 1 (à gauche) et 2 (à droite) de la calibration du capteur de pente longitudinale ................. 39 Figure 57 – Calibration du capteur de tourelle (Topcon modifié) ......................................................................... 39 Figure 59 – Calibration de capteur de flèche (Topcon modifié) ........................................................................... 39 Figure 58 - Calibration du capteur de balancier (Topcon modifié) ....................................................................... 39 Figure 60 – Signes d’usures sur une niveleuse (Topcon) ...................................................................................... 41 Figure 61 – Construction de la maquette de pelleteuse et son évolution (photos personnelles)............................ 42 Figure 62 – Détermination de prix de revient horaire avec et sans guidage 3D pour une niveleuse (à gauche) et un bulldozer (à droite) (réalisations personnelles) ................................................................................................ 44 Figure 63 – Comparaison des hauteurs des points par rapport au projet – à gauche : sans guidage / à droite : avec .............................................................................................................................................................................. 50 Figure 64 – Exemples de situations à risques évitables grâce au guidage (Topcon) ............................................. 50 Figure 65 – Évolution des systèmes TOPCON mais conservation de la compatibilité (Topcon) ......................... 51 Figure 66 - aperçu du travail en temps réel via Site Link (Topcon) ...................................................................... 51 Figure 67 – Prototype de bulldozer Komatsu D61PXi-23 entièrement équipé de série du « Komatsu inteligent control » (Komatsu.eu).......................................................................................................................................... 52

EQUATIONS

Équation 1 - Détermination de la position relative du godet ................................................................................ 25 Équation 2 – Calcul de transmission d’emq .......................................................................................................... 25 Équation 3 – Détermination de l’emq sur la position relative du godet ................................................................ 26 Équation 4 – Matrices rotations ............................................................................................................................ 26 Équation 5 – Détermination de la dénivelée par le mmGPS ................................................................................. 28 Équation 6 – Détermination de l’emq sur le dénivelée donnée par le mmGPS .................................................... 28 Équation 7 – Détermination du devers à réaliser en fonction de la pente longitudinale et de la rotation de la lame .............................................................................................................................................................................. 32 Équation 8 – Détermination de la productivité d’une pelleteuse (Komatsu [2009]) ............................................. 44 Équation 9 – Détermination de la productivité d’une niveleuse (Komatsu [2009]) .............................................. 46 Équation 10 - Détermination de la productivité d’un bulldozer (Komatsu [2009]) .............................................. 46

TABLEAUX

Tableau 1 – Détermination du gain de productivité sur une pelle grâce à un système de guidage 3D .................. 45 Tableau 2 - Détermination du gain de productivité sur une niveleuse grâce à un système de contrôle 3D........... 46 Tableau 3 - Détermination du gain de productivité sur un bulldozer grâce à un système de contrôle 3D ............ 47 Tableau 4 – Étude des gains financiers réalisés grâce à l’utilisation d’un système de contrôle de bulldozer ....... 47 Tableau 5 - Étude des gains financiers réalisés grâce à l’utilisation d’un système de contrôle de niveleuse ........ 48


57 BIBLIOGRAPHIE ARTICLES

CATERPILLAR (2006) Road Construction Production Study, MALAGA Demonstration and Learning Center, Décembre 2006 DIEGELMANN, M., SCHREIBER, F. et RAUSCH, P. (2008) Use of a Machine Control & Guidance System, Determination of Excavator Performance, Cost Calculation and Protection Against Damaging of Pipes and Cables, In : 1st International Conference on Machine Control & Guidance, ETH Zürich, 24-26 Juin 2008, pp. 21-30. JONASSON, S., DUNSTON, P. S., AHMED, K., et HAMILTON, J. (2002) Factors in Productivity and Unit Cost for Advanced Machine Guidance, Journal of construction engineering and management (ASCE), Vol. 128 No.5, pp. 367-374. KAAK, M. et BRENTZINGER, J. (2010) mmGPS for Pavers- Complete Paver Control, In : 2nd International Conference on Machine Control & Guidance, University of Bonn, Germany, 09-11 Mars 2010, pp. 243-250. MachineGuidance.com.au. (2010) Machine Guided Construction: A Surveyors Perspective, Machine guidance, [en ligne], Disponible sur : http://www.machineguidance.com.au/cicms/assets/pdfs/pg30as230.pdf [Consulté le 14 aout 2013], pp. 1-7. MALARSKI, R. et PASIK, M. (2011) Evaluation of the usefulness of the „millimeter GPS” system for determination of elevations of points in topographic surveys, Reports on geodesy – Warsaw university of technology department of geodesy and geodetic astronomy, No. 1. STEMPFHUBER, W. (2006) 1D and 3D Systems in Machine Automation, In: Proceedings of the 3rd IAG / 12th FIG Symposium [Ressource électronique], Baden. 22-24 Mai 2006. STEMPFHUBER, W. et INGENSAND, H. (2008) Guidage et commande de machines de chantier : De l’implantation statique à celle cinématique, Revue XYZ (Association Française de Topographie), n°115 – 2eme trimestre 2008, pp. 50-58. STURM, A. et VOS, W. (2008) New Technologies for Telematics and Machine Control, In : 1st International Conference on Machine Control & Guidance, ETH Zürich, 24-26 Juin 2008, pp. 189-198.

MEMOIRES D’INGENIEURS

LECLERC, T. (2008), Etude technique, commerciale et marketing des systèmes de guidage pour pelle, Mémoire d’ingénieur de l’INSA de Strasbourg, spécialité Topographie, 55p.

CAHART, J. (2012), Guidage des engins de réglage fin par GNSS différentiel GPRS, Mémoire d’ingénieur de l’ESGT, 63p.


58 SITES INTERNET

The Kellogg report [Ressource internet], 3D Grade Control, http://www.kelloggreport.com

Centre de ressources Topcon [Ressource internet], Complete support and training solution, http://www.topcontotalcare.com

DOCUMENTS TECHNIQUES

KOMATSU (2009), Specifications & Application handbook, Edition 30, Disponible sur: http://www.directminingservices.com/wp-content/uploads/2011/05/Edition30.pdf [Consulté le 14 aout 2013]. Brochures et manuels divers TOPCON

Étude et optimisation du fonctionnement des...

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