Contributions à la réalisation d’une touche de piano numérique : modélisation, simulation, réalisation de prototype

Contribution to the design of a digital piano key : modelisation, simulation and implementation of a prototype

• Auteur / Autrice : Jérémie Chichignoud
• Direction : Xavier Boutillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 28/02/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique des Solides (Palaiseau ; 1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Touzé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Boutillon, Jean-Loïc Le Carrou, Jean-François Petiot, Anders Thorin, Thomas Hélie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Loïc Le Carrou, Jean-François Petiot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Toucher

Instruments à clavier

Robotique

Modélisation des données (informatique)

Interfaces utilisateur (informatique)

Systèmes embarqués (informatique)

Mots clés libres

Dynamique ajustable

Interface haptique

Clavier de piano

Simulation temps réel

Robotique

Adjustable dynamic

Haptic interface

Piano keyboard

Real time simulation

Robotic

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse représente une étape dans le projet de longs termes visant à obtenir une touche de synthétiseur muni d'un actuateur dont la fonction est de reproduire le toucher d'un piano à queue.Après une introduction présentant les problématiques du projet et l’état de l’art, nous présentons le modèle mécanique de la touche proposé par J. Lozada, puis A. Thorin, dont certains éléments ont dû être précisés et auquel plusieurs approximations et simplifications ont dû être ajoutées explicitement. Une description détaillée de la géométrie des contacts est donnée.La simulation proposée jusqu’ici était loin du temps réel en raison du choix logiciel effectué. Nous avons écrit deux programmes de simulation du modèle : l’un en matlab, à fins de prototypage et l’autre en C qui tourne en temps réel jusqu’à 6 us sur un processeur i7. Cette simulation respecte le caractère non-régulier des frottements secs dans les articulations et certains contacts unilatéraux.Les points critiques susceptibles de déstabiliser la simulation en temps réel sont discutés.L’actuateur retenu depuis longtemps dans la coopération LMS-LISA – frein à FMR – ne permettait pas de faire remonter la touche après l’action du pianiste. Nous avons donc complété le dispositif par un ensemble d’aimants permanents dont nous présentons le dimensionnement.La troisième partie du mémoire est consacrée à l’implémentation du dispositif « touche numérique ». Le choix d'un ordinateur standard comme organe de calcul et les contraintes du temps réel à une fréquence d’au moins 2 kHz ont nécessité le développement d'une communication USB spécifique pour échanger les données (mesures et commande) entre le micro-ordinateur et l’ensemble capteurs-actionneur.Nous donnons in fine les tout premiers résultats obtenus sur cet ensemble intégré. Leur analyse permet de tirer quelques conclusions relatives au développement futur du projet.

This thesis is part of a long term project focusing on the conception of a synthetizer keyboard capable of doing high quality reproduction of the haptical sensation of a traditional piano key.After introducing the mains issues relative to this project along with the state of the art, we describe the model for the gran piano action written by J. Lozada and A. Thorin whose some part had to be precised and many approximations and simplifications had to be added explicitly. We propose a detail description of the geometry of the contact.The simulation proposed so far, was significantly non real time. Mainly because of the software used. We coded two programs for the simulation : one in matlab programming language for prototyping purposes and one in c programming language whose the execution time is around 6 us (i7 processor). This simulation handle withnon regular aspects within dry friction joints and unilaterals contacts. Criticals points that can make the simulation unstable are discussed.The actuator selected (result of the cooperation LISA-LMS) is a FMR brake. Took alone, It makes the rising of the key impossible. To solve this problem, we added some permanents magnets around the key. All the choices made for the design of the key are detailed.Third part of the document is dedicated to the design of the environment of the numerical key. The calculator chosen was a standard computer. Because of the SI{2}{kilohertz} real time cycle rate of the program needed, we had to implement an USB communication between the computer and the micro-computer used for interfacing the sensors and the actuator. Others part of the environment are described there.Lastly, we give firsts results obtained during the thesis. The conclusion give new perspectives on futur projects.