Brevet FR2622696A1 — publié le 19890505

L'invention a pour objet un dispositif de mesure de la résultante des forces aérodynamiques agissant sur un véhicule automobile. Cette résultante comporte les perturbations de toute nature et notamment celles dûes au vent, induites par d'autres véhicules ou divers éléments de l'infrastructure routière (tunnels, haies, etc...). La connaissance quasi instantanée de ces perturbations peut être utilisée pour alerter le conducteur ou pour commander une correction automatique de l'angle de braquage des roues directrices du véhicule. On connait déjà des dispositifs permettant de signaler au conducteur une rafale de vent latéral grâce au déplacement angulaire d'une ailette mobile. De tels dispositifs ne permettent pas de connaître avec précision et un temps de réponse suffisamment court les composantes de la résultan- te des forces aérodynamiques notamment pour leur utilisa-t tion comme paramètres de correction de l'angle de braqua- ge. Un dispositif conforme à l'invention utilise les proprié- tés des fibres optiques comme détecteurs de pression. Selon une première caractéristique il comporte des moyens à fibres optiques de détection et de mesure des pressions aérodynamiques s'exerçant en différents points du véhicule et des moyens de calcul, en fonction de ces pressions et -30 de la vitesse du véhicule, de la résultante des forces aérodynamiques. Avantageusement les moyens & fibres optiques comprennent au moins trois bobines de fibre optique implantées au voisinage de la surface extérieure du véhicule, chacune de ces bobines ayant une orientation différente par rapport à l'axe du véhicule. Le dispositif comporte en outre des moyens injectant à l'entrée de chaque bobine un rayonne- ment lumineux de même nature et de même phase comprenant une première et une deuxième composante, des moyens d'analyse des déphasages d'une part des premières compo- santes, prises deux à deux, des rayonnements issus des bobines et d'autre part des deuxièmes composantes, également prises deux à deux, des rayonnements issus des bobines et des moyens de calcul, en fonction de ces déphasages et de la vitesse du véhicule, de ladite résultante. Le dispositif peut comporter une source lumineuse unique (LED, laser ou diode laser) et des moyens pour polariser linéairement le rayonnement de cette source suivant les deux modes principaux d'une fibre optique monomode biréfringente à conservation de polarisation constituant les bobines et les faisceaux de liaison, l'un de ces modes constituant la première composante et l'autre la deuxième composante du rayonnement. Selon une variante le dispositif peut comporter deux sources lumineuses de longueur d'onde différente consti- tuant l'ure la première composante et l'autre la deuxième composante du rayonnement. Selon un mode préféré de réalisation le dispositif comporte à la sortie de chaque bobine des moyens d'analyse séparant les deux composantes, des moyens combinant les premières composantes deux à deux ainsi que les deuxièmes composantes, des photodétecteurs mesurant l'intensité de chaque combinaison des premières et deuxièmes composantes et des moyens de calcul des déphasages dés signaux & partir des intensités mesurées. Les moyens de détection et de mesure des pressions aérodynamiques sont constitués par des bobines de fibre optique disposées à plat au voisinage de la surface extérieure avant du véhicule, dont au moins une à l'avant gauche, une à l'avant droit et une en surface frontale. Ces bobines sont des bobines plates collées en surface à l'extérieur d'éléments de carrosserie ou disposées sur la face externe d'un élément de carrosserie plastique lors de la fabrication de cet élément. Enfin il est particulièrement intéressant de disposer une bobine sur la partie latérale de chaque feu de signalisa- tion avant et la troisième sur le pare-chocs avant. L'invention va être décrite plus en détail ci-dessous en se référant aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels: - La figure 1 est un schéma d'ensemble du dispositif. - La figure 2 montre l'organisation des circuits optiques et électriques de l'unité de gestion et de traitement. - La figure 3 montre une variante du générateur des composantes du rayonnement. - Les figures 4 et 5 représentent en perspective chacune une variante d'implantation d'une bobine de fibre optique sur un bloc clignotant avant gauche. - Les figures 6 et 7 représentent de la même manière des bobines implantées sur un pare-chocs avant. - La figure 8 est l'organigramme de calcul de la résultan- te des forces aérodynamiques. - La figure 9 montre schématiquement l'implantation sur véhicule des cellules de mesure. - La figure 10 est un diagramme des vitesses du véhicule et de l'air ambiant. Le dispositif (Figure 1) installé sur un véhicule automobi- le comporte essentiellement trois sous-ensembles: - Une unité 1 de gestion et de traitement des signaux comportant une source lumineuse 10 (ou deux sources 10a et b), un générateur 11 de deux composantes du rayonnement, une unité d'analyse 12, un calculateur 13 recevant les signaux de l'unité d'analyse 12 et d'un capteur 14 de vitesse du véhicule. - Un ensemble 2 de trois cellules de mesure 21, 22, 23 implantées respectivement sur le bloc-clignotant avant droit 51, le bloc clignotant avant gauche 52 et le pare- chocs avant 53 du véhicule (figure 9). - Un ensemble 3 de faisceaux de transmission du rayonne- ment du générateur 11 aux cellules et des cellules à l'unité d'analyse 12 constitués de fibres optiques de même nature que celles utilisées pour les bobines des cellules de mesure. La source lumineuse 10 (LED, laser ou diode laser) émet un rayonnement vers deux fibres optiques 11Oa et 110b sur chacune desquelles est interposé un polariseur lia, 11b. Les polariseurs lla et llb (figure 2) polarisent linéaire- ment le rayonnement suivant les deux modes principaux de la fibre optique monomode biréfringente à conservation de polarisation constituant ainsi deux composantes du rayonnement que l'on repérera par la suite par a ou b. Recombinés en 111, ces signaux sont transmis aux cellules de mesure 21 à 23 par des faisceaux 310, 320,'330 de cette même fibre optique. Les cellules de mesure sont consti- tuées d'une bobine de fibre optique de même nature. Chaque bobine est exposée à la pression et & la température régnant en son point d'implantation sur le véhicule. s L'unité d'analyse 12 recombine les signaux issus des bobines par les faisceaux 311, 321, 331 de façon à fournir au calculateur 13 des informations lui permettant de calculer les composantes des forces aérodynamiques exercées sur le véhicule. A cet effet le rayonnement de chaque bobine est subdivisé en deux. Sur chaque trajet optique est inséré un polariseur 1201a, 1201b - 1202a, 1202b - 1203a, 1203b. Les polariseurs éliminent la composante a ou b du rayonnement correspondant à leur indice a ou b. Une variante consiste (Figure 3) à utiliser deux sources lumineuses 10a et lOb de longueurs d'onde différentes. Dans ce cas, il n'est plus nécessaire d'utiliser une fibre biréfringente à conservation de polarisation, une fibre ordinaire monomode étant alors suffisante. Il suffit de combiner en 111 les deux composantes et de remplacer les polariseurs 1201a - 1203b par des filtres ne laissant passer qu'une des longueurs d'onde. En sortie de chaque filtre ou polariseur 1201a... le rayonnement est subdivisé en deux pour combiner deux à deux sans répétition, comme montré en figure 2, d'une part les composantes a et d'autre part les composantes b. Chacune des six combinaisons est ensuite analysée par un photo-détecteur 1211 à 1216. C'est ainsi par exemple que le photo-détecteur 1216 reçoit les composantes b issues du clignotant droit (fibre 321) et du pare-chocs (fibre 331). L'unité d'analyse 12 et le générateur de polarisation du faisceau incident 11 peuvent être regroupés sur un même circuit optique intégré 15 réalisé selon des procédés connus. Il comprendra sur un même substrat silicium un circuit optique et un circuit électronique. Le champ éléctromagnétique à la sortie des polariseurs ou des filtres s'exprime sous la forme: a a -j(Qt-kzi) t t -j(Q t-k i) E =E e ou E =E e t t Ii i i i avec i: repère de la bobine a: axe de polarisation (si polarisation) 8: différence de marche k: vecteur d'onde Q: pulsation du signal : repére de la longueur d'onde (si 2 sources) Après recombinaison des signaux (4), on obtient: a,b a b t T T E =E + E ou E =E + E i,j i j i, j i j Les photo-détecteurs sont sensibles à l'intensité du signal qui s'exprime par: I=E.E*, E* étant le nombre complexe conjugué de E soit: ab a b /a b a b I = I + I + 2 \/ I I cos(k. ( -8)) ij i j i j i j I a,b ou ij t t I = I + I + 2 I I cos(k (8 -8)) ij i j i j ti j Le déphasage entre les signaux issus des bobines repérées i et j s'exprime donc ainsi: r ab a b 1 t (I -I -I) ab j ij i j b =Arcosi-------------- ou ij |J___ a b 2\/I I I i j I L J r T T (I -I -I) t I ij i j 6 =Arcosi-------------- ij I I T T 2\/I I ôIi iii L J o Ii est l'intensité du signal issu de la bobine i et Ij celle du signal de la bobine j. Les déphasages observés sont des fonctions non seulement de la pression exercée sur les bobines de fibre optique mais aussi de la température à laquelle elles sont soumises. Le calcul montre que la connaissance de six déphasages est suffisante pour obtenir les trois diffé- rences de pression entre trois bobines prises deux à deux, éliminant ainsi l'effet de la température sur les déphasa- ges mesurés. On se refère aux figures 9 et 10 avec les notations suivantes: Xa: dirigé suivant l'axe avant arrière du véhicule Ya: perpendiculaire à Xa et dans le plan horizontal 3: angle de dérapage aérodynamique Vv: vitesse véhicule Vp: vitesse de la résultante des perturbations aérodynamiques V: vitesse relative du véhicule par rapport à l'air ambiant a: angle entre la vitesse véhicule et la vitesse de la résultante des perturbations. La force aérodynamique qui s'exerce sur le véhicule suivant les axes Xa et Ya peut s'exprimer de la manière suivante: Fxa = d V 2 Sxa Sxa = S.Cxa Fya = d V 2Sya Sya = S.Cya L'angle de dérapage aérodynamique 0 est alors donné par: tg 0 = Fya / Fxa Les pressions régnant sur les bobines 21, 22 et 23 ont respectivement pour expression, Pa étant la pression ambiante: P1 = Pa + Fya/S1 = Pa + P1 P2 = Pa = Pa P3 = Pa + Fya/S3 = Pa + P3 Dans le cas général, avec Pi <> 0, j<>i et j<>3: tg a = (Pj - Pi)S3 / (P3 - Pi)Sj IIFJl i= \/(Pj-Pi)2S2j+(P3-Pi)2S2 La connaissance des paramètres Sxa et Sya permet de calculer le module de la vitesse: IIVil = \ (Pj-Pi)Sj / rSya = /(P3-Pi)S3 / rSxa d'o on déduit le module et l'angle de la vitesse de la résultante des perturbations: IlVpll = \ V2 + V2v + 2V.Vv cos P tg a = V sin 0 / ( Vv + V cos e) De même les moments se déduisent de la relation: M = d S 1 V2 Cm o S est la surface de référence 1 la longueur de référence Cm un coefficient aérodynamique Organigramme de calcul (Figure 8): La première étape 81 consiste à lire les valeurs des six déphasages mesurés: ab T -i ' ou A;. -; A l'étape 82 on calcule les différences de pression entre les trois bobines soit P1-P2, P1-P3 et P2-P3. On en déduit à l'étape 83 l'angle de dérapage aérodynami- que 0 et la résultante des forces aérodynamiques à l'étape 84. La vitesse et les coefficients aérodynamiques du véhicule introduits à l'étape 85 permettent de calculer à l'étape 86 les forces et moments exercés par les perturba- tions aérodynamiques sur le véhicule. On va maintenant décrire différents modes de réalisation et d'implantation des bobines sur les blocs clignotants et sur le pare-chocs. Une bobine est disposée sur la surface externe de chacun des blocs clignotants avant. Chaque bobine peut être collée en surface. La bobine est mise en forme puis maintenue en forme et collée par un liant sur la surface externe du bloc clignotant 51 ou 52. Un trou doit alors être pratiqué dans le plastique du bloc afin de réaliser la liaison faisceau- bobine. La bobine peut être aussi intégrée au bloc. A cet effet lors de la fabrication, la fibre est disposée dans le moule de sorte à figurer sur la surface externe de la pièce. Ses deux extrémités sont disposées sur la face interne ce qui élimine la nécessité du perçage de la pièce. La cellule 23 implantée sur le pare-chocs avant 53 est réalisée suivant un principe analogue à celui décrit ci- dessus. L'utilisation d'une fibre optique nue pour les bobines (sans protection plastique) permet d'accroitre la sensibi- lité du système. Les bobines seront plates, l'ensemble des spires étant situé dans un même plan. Leurs extrémités seront prolongées jusqu'à l'unité de gestion et de traitement et seront directement couplées au circuit optique intégré assurant l'interfaçage avec la ou les sources lumineuses d'une part et le calculateur d'autre part. Les portions de fibre assurant la liaison bobine- circuit optique seront recouvertes d'une protection plastique afin d'améliorer leurs caractéristiques mécani- ques et de réduire l'influence des paramètres extérieurs. Selon l'espace disponible sur les surfaces portant les bobines, celles-ci pourront prendre diverses formes en vue d'obtenir une longueur suffisante de fibre exposée de manière adéquate aux pressions aérodynamiques à mesurer. En figure 4 la bobine 22 disposée sur le bloc clignotant avant gauche 52 comporte un nombre de spires plus élevé que dans l'exemple de la figure 5 o la longueur déve- loppée est plus grande. En figure 6 la bobine 23 disposée frontalement sur le pare- chocs avant 53 s'étend transversalement au-dessus de la plaque de police 530, le plan des spires étant perpendicu- laire à l'axe Xa du véhicule. En figure 7 la bobine est au contraire subdivisée en deux parties disposées de part et d'autre de la plaque de police 530. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la résultante des forces aérodynamiques agissant sur un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte des moyens à fibres optiques 10, 11, 21-23, 12 de détection et mesure des pressions aérodynamiques s'exerçant en différents points du véhicule et des moyens de calcul 13, en fonction de ces pressions et de la vitesse du véhicule, de la dite résultante. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens à fibres optiques comprennent au moins trois bobines 21-23 de fibre optique implantées au voisinage de la surface extérieure du véhicule, chacune de ces bobines ayant une orientation différente par rapport à l'axe Xa du véhicule et en ce qu'il comporte en outre des moyens 10-11 injectant à l'entrée de chaque bobine un rayonnement lumineux de même nature et de même phase comprenant une première et une deuxième composante a et b, des moyens d'analyse 12 des déphasages d'une part des premières composantes a, prises deux à deux, des rayonne- ments issus des bobines et d'autre part des deuxièmes composantes b, également prises deux à deux, des rayonne- ments issus des bobines et des moyens de calcul 13, en fonction de ces déphasages et de la vitesse du véhicule, de ladite résultante. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse unique 10 (LED, laser ou diode laser) et des moyens lla-llb pour polariser linéairement le rayonnement de cette source suivant les deux modes principaux d'une fibre optique monomode biréfringente à conservation de polarisation constituant les bobines 21- 23 et les faisceaux de liaison 3, l'un de ces modes constituant la première composante a et l'autre la deuxième composante b du rayonnement. 4. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte deux sources lumineuses lOa, 10b de longueur d'onde différente constituant l'une la première composante a et l'autre la deuxième composante b du rayonnement. 5. Dispositif selon les revendications 3 ou 4 caractérisé en ce qu'il comporte à la sortie de chaque bobine 21-23 des moyens d'analyse 1201a-1203b séparant les deux composantes, des moyens combinant les premières compo- santes deux à deux ainsi que les deuxièmes composantes, des photodétecteurs 1211-1216 mesurant l'intensité de chaque combinaison des premières et deuxièmes composantes et des moyens de calcul 13 des déphasages des signaux à partir des intensités mesurées. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de détection et de mesure des pressions aérodynamiques comportent des bobines de fibre optique disposées à plat au voisinage de la surface extérieure avant du véhicule, dont au moins une 22.à l'avant gauche, une 21 à l'avant droit et une 23 en surface frontale. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que les bobines 21-23 sont des bobines plates collées en surface à l'extérieur d'éléments de carrosserie 51-53. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que les bobines 21-23 sont des bobines plates disposées sur la face externe d'un élément 51-53 de carrosserie plastique lors de la fabrication de cet élément. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce qu'une bobine 21, 22 est disposée sur la partie latérale de chaque feu de signalisation avant 51 et 52. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9 caractérisé en ce qu'une bobine 23 est disposée sur le pare-chocs avant 53 symétriquement, le plan des spires étant perpendiculaire à l'axe Xa du véhicule.