Brevet FR2741175A1 — publié le 19970516

DISPOSITIF DE RESTITUTION D'EFFORT AU VOLANT D'UN VEHICULE AUTOMOBILE A DIRECTION DECOUPLEE L'invention concerne un dispositif de restitution d'effort au volant d'un véhicule automobile à direction découplée, c'est-à-dire sans liaison entre le volant et les roues reposant sur le sol, que le véhicule soit réel ou appartenant à un système de simulation. En effet, l'invention s'applique principalement aux simulateurs de conduite interactifs tels que les simulateurs d'études, les simulateurs d'apprentissage utilisés dans les auto-écoles ou les simulateurs ludiques. Dans le domaine de l'industrie automobile, l'invention s'applique également aux véhicules laboratoires n'ayant plus de liaison mécanique entre le volant et les roues. Dans tous ces systèmes de simulation, notamment de simulation de conduite interactive utilisés par les constructeurs automobiles comme moyen d'essai évitant certains essais sur véhicules réels, il s'agit d'obtenir une reproductibilité totale des essais par la maîtrise de l'environnement, en recréant par exemple des conditions météorologiques, de trafic routier, de conduite de jour ou de nuit, et de permettre une instrumentation aisée pour l'enregistrement de paramètres du véhicule ou d'observation du conducteur. L'objectif de tels simulateurs de conduite est de recréer un contexte quasi réel de conduite automobile, en reproduisant les différentes sensations que percevrait un conducteur dans un véhicule roulant, en particulier à partir d'un habitacle de véhicule réel placé devant un écran, mais immobile et dont le volant est découplé des roues. Le problème à résoudre consiste à restituer les efforts au niveau du volant du simulateur de conduite interactif, grâce à un mécanisme qui génère un couple résistant sur le volant en fonction à la fois du type de véhicule à simuler, qu'il soit équipé d'une direction manuelle ou assistée, et en fonction aussi de la dynamique à recréer, c'est-à-dire qu'il soit à l'arrêt ou en roulage. Ce couple résistant doit avoir une amplitude et une nature très différentes selon que le véhicule est simulé, à l'arrêt ou en roulage. En effet, dans un véhicule réel à l'arrêt, le couple résistant qui s'applique au volant, est principalement un couple de frottements secs, ne dépendant pas ou peu de la position du volant, mais dont l'amplitude dépend des caractéristiques du véhicule - sa masse, son type de pneumatiques... - et pouvant atteindre 2ONm pour un véhicule lourd équipé d'une direction manuelle. En roulage, le couple résistant a une composante proportionnelle à l'accélération transversale du véhicule, donc dépendante de l'angle du volant et de la vitesse du véhicule, correspondant à un couple de rappel, et une composante qui décroît rapidement en fonction de la vitesse du véhicule, correspondant à un couple de frottement. Actuellement, il existe plusieurs catégories de systèmes restituteurs d'effort au volant. Une première catégorie de systèmes, notamment décrite dans la demande de brevet européen 0 379 393, au nom d'ATARI GAMES CORPORATION, simule un véhicule en roulage et comprend un moteur électrique utilisé pour générer le couple de rappel et un système mécanique non pilotable pour créer le couple de frottement. L'inconvénient de ce système est que le couple de frottement est constant quelle que soit la vitesse du véhicule. Selon une deuxième catégorie de systèmes pilotés par la vitesse du volant, ceux-ci sont constitués par un actionneur hydraulique, demandant une infrastructure particulière et importante, présentant des risques de fuites de liquide responsables de salissures, et d'un coût élevé. Un autre type de systèmes de restitution d'effort, notamment décrits dans la demande de brevet européen 0 522 924, au nom de SEXTANT AVIONIQUE, utilisent uniquement un moteur électrique pilotable pour générer le couple résistant au volant destiné à restituer les couples de frottement et de rappel. Ces systèmes sont relativement complexes car ils nécessitent tout d'abord de placer un capteur de couple, par exemple une jauge de contrainte sur la colonne de direction, entre le moteur électrique et le volant afin de mesurer l'effort appliqué par le conducteur en tournant le volant pour un fonctionnement en boucle fermée. Ce dispositif sophistiqué est d'un coût élevé, présente des difficultés de mise au point et une dérive dans le temps. De tels systèmes obligent de plus à générer une consigne de couple résistant à une fréquence élevée, supérieure à 1 kHz, pour obtenir une restitution correcte d'effort dans le cas de simulation d'un véhicule à l'arrêt. En effet, dans ce cas de fonctionnement, la dynamique du couple est la plus importante et le moteur électrique est instable, ce qui oblige à utiliser une fréquence d'échantillonnage de l'ordre du temps de réponse électrique du moteur pour éviter les instabilités. Pour cela, ces systèmes de restitution d'effort comprennent soit un moteur électrique monté directement en bout de colonne de direction, soit un moto-réducteur pour générer les niveaux de couple maximum demandés, et ont par conséquent pour inconvénient d'être bruyants, volumineux et chers. L'invention a pour but de pallier ces différents inconvénients en proposant un dispositif de restitution d'effort au volant permettant le pilotage du frottement en temps réel. Pour cela, l'invention propose un dispositif de restitution d'effort au volant d'un véhicule automobile à direction découplée, comprenant un calculateur électronique de commande et de contrôle, caractérisé en ce qu'il comprend de plus: - un capteur d'angle du volant couplé à la colonne de direction du véhicule et connecté au calculateur, - des moyens électroniques de conversion des tensions de consignes délivrées par le calculateur de commande, en consignes de courant, - un moteur électrique dont l'axe de sortie du rotor central est solidaire de la colonne de direction, piloté par une consigne de courant envoyée par les moyens de conversion et appliquant à la colonne de direction un couple de rappel proportionnel à l'accélération transversale du véhicule, - un coupleur à poudre dont le cylindre intérieur est solidaire de la colonne de direction, piloté par une consigne de courant envoyée par les moyens de conversion et applicant à la colonne de direction un couple de frottement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures jointes qui sont: - la figure 1: un schéma d'architecture d'un dispositif de restitution d'effort selon l'invention; - les figures 2a et 2b: les courbes représentatives de la consigne de couple de rappel en fonction de l'accélération transversale du véhicule, respectivement dans le cas d'une direction manuelle et d'une direction assistée; - la figure 3: la courbe représentative d'une composante de la consigne de couple de frottement en fonction de la vitesse du véhicule; la figure 4: la courbe représentative d'une composante de la consigne de couple de frottement en fonction de la vitesse du volant. La figure 1 montre l'architecture d'un dispositif de restitution d'effort selon l'invention, au volant 1 d'un véhicule automobile d'un simulateur de conduite, dont la liaison entre le volant et les roues 2 reposant sur le sol 3 est coupée, pour être utilisé par exemple dans un simulateur de conduite interactif équipé d'un calculateur électronique 4 de commande et de contrôle. Le dispositif selon l'invention est composé d'un capteur 5 d'angle du volant, couplé à la colonne 6 de direction du véhicule et destiné à délivrer au calculateur 4 une information de position angulaire du volant par rapport à une position de référence. Au-delà du capteur d'angle 5, par rapport au volant 1, est déposé un moteur électrique 7 dont l'axe de sortie du rotor central est solidaire de la colonne de direction. Ce moteur électrique 7 est piloté par le calculateur électronique 4, par l'intermédiaire de moyens électroniques 13 de conversion de la tension de consigne, délivrée par une sortie analogique du calculateur 4, en courant de consigne alimentant le moteur 7. Le calculateur a pour fonction de calculer la consigne de couple que le moteur doit appliquer à la colonne de direction. Les moyens de conversion 13 comprennent un circuit électronique 8 de puissance associé à un circuit électronique 9 de commande avec asservissement en courant. Ainsi, le calculateur de commande 4 délivre une tension de commande u1 au circuit électronique 9 de commande, qui lui-même envoie un courant i1 au moteur par l'intermédiaire du circuit électronique de puissance 8. Le courant ilm circulant dans le moteur est mesuré par le capteur 14 et ensuite renvoyé vers les moyens de conversion 13 pour être contrôlé par le calculateur électronique 4 de commande et de contrôle et régulé par le circuit électronique de commande 9. La boucle d'asservissement en courant est nécessaire pour garantir un couple de rappel fourni par le moteur qui soit égal au couple de consigne calculé par le calculateur, quelle que soit la vitesse de rotation du moteur. Le rôle de ce moteur électrique 7 est de générer la composante du couple résistant correspondant au couple de rappel proportionnel à l'accélération transversale du véhicule, ce couple de rappel étant calculé par le calculateur de commande 4 en fonction de paramètres du véhicule tels que l'accélération transversale, l'angle du volant, la dérive, et en fonction des caractéristiques du véhicule comme sa masse, le type de pneumatiques, les raideurs de trains, la direction manuelle ou assistée et son rapport de démultiplication. La figure 2a est la représentation graphique des variations du couple de rappel Cr en fonction de l'accélération transversale rt correspondant à une direction manuelle. La figure 2b est la représentation graphique des variations du couple de rappel Cr en fonction de l'accélération transversale rt, correspondant à une direction assistée présentant un maximum de saturation Cs. Pour générer le couple de frottement s'opposant à la rotation du volant, le dispositif selon l'invention comprend également ( figure 1) un coupleur à poudre , piloté en courant par le calculateur de commande 4, par l'intermédiaire des moyens de conversion 13 d'une deuxième tension de consigne u2 délivrée par une deuxième sortie analogique du calculateur 4. Ces moyens de conversion comprennent à cet effet un circuit électronique 11 de puissance, qui alimente le coupleur à poudre 10 par un courant i2 qui est fonction de la consigne en tension u2, délivrée par le calculateur de commande 4 et reçue par un circuit électronique de commande 12. Le courant i2m circulant dans le coupleur à poudre est renvoyé dans le circuit électronique 12 pour être contrôlé. Le calculateur de commande 4 fournit au coupleur à poudre 10 une tension u2 de consigne qui est proportionnelle au couple de frottement Cf que doit générer le coupleur à poudre sur la colonne de direction 6. Ce couple de frottement Cf s'exprime sous la forme d'un produit, d'une part d'une composante Kp(V) qui est une fonction de la vitesse V du véhicule, et d'autre part d'une composante Kd(a') qui est une fonction de la vitesse a' du volant: Cf = Kp(V) * Kd(a'). La figure 3 représente graphiquement la composante Kp(V) du couple de frottement qui est maximale quand le véhicule est à l'arrêt, prenant alors une valeur KpO appelée couple de parking, et qui décroît vers une valeur de seuil minimum Kpl1 traduisant l'hystérésis de roulage et les frottements inévitables des trains et de la colonne de direction, quelle que soit ensuite la vitesse V du véhicule. La figure 4 représente la composante Kd(') du couple de frottement, qui est une fonction linéaire de la vitesse de braquage a' du volant. Comme pour la consigne de couple de rappel appliquée au moteur électrique 7, la consigne de couple de frottement est calculée par le calculateur de commande 4 en fonction de paramètres et de caractéristiques déterminés du véhicule. Le coupleur à poudre 10 est constitué de deux cylindres concentriques entre lesquels est enfermée une poudre magnétique dont les caractéristiques varient en fonction du champ magnétique qui la traverse, faisant ainsi varier le coefficient de frottement entre les deux cylindres. Le cylindre intérieur est solidaire de la colonne de direction, alors que le cylindre extérieur est fixe, la poudre entre les deux devant s'opposer à la rotation de la colonne de direction. Le coupleur à poudre permet de générer des couples de frottements secs importants tout en étant de faibles dimensions. Le fait d'utiliser un moteur électrique associé à un coupleur à poudre, pilotés tous les deux par un calculateur électronique de commande, permet de réaliser un dispositif de restitution d'effort au volant relativement simple. Contrairement à l'art antérieur, on n'a plus besoin d'un capteur de couple lorsque l'on s'est assuré que l'inertie du dispositif, soit l'inertie du rotor du moteur ajoutée à l'inertie du frein, est faible par rapport à l'inertie du volant. Les consignes de tensions délivrées par le calculateur de commande sont générées à des fréquences beaucoup plus basses, de l'ordre de 100 Hz, ce qui diminue la charge de travail du calculateur, réduisant ainsi sa complexité et son coût. De plus, le couple maximum que doit fournir le moteur électrique est nettement plus faible, car il correspond seulement au couple maximum de rappel, le couple de frottement étant lui fourni par le coupleur à poudre et dont le maximum peut être beaucoup plus élevé. Cela réalise un gain de volume, de poids et de coût. Ce dispositif a pour autre avantage d'être commandable en temps réel, le coefficient de frottement créé par la poudre pouvant varier, et d'être stable numériquement, le coupleur à poudre créant un frottement sec pur. On peut ainsi simuler des efforts de parking avec des frottements importants, pour une direction manuelle, ou des efforts de roulage, avec couple de rappel du volant et minimum de frottements, pour une direction manuelle ou une direction assistée. A ces avantages précités, liés tout spécialement à l'utilisation d'un coupleur à poudre, on peut ajouter d'autres avantages du dispositif de restitution d'effort selon l'invention, qui sont une grande précision et une grande fiabilité dues aux circuits utilisés et au pilotage par calculateur électronique de commande, une adaptabilité à tout type de véhicule et un faible coût. Enfin, ce dispositif peut être avantageusement utilisé dans un véhicule laboratoire dont les quatre roues sont indépendantes pour restituer les efforts au volant dus à de nouvelles lois de direction assistée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de restitution d'effort au volant d'un véhicule automobile à direction découplée, comprenant un calculateur électronique de commande et de contrôle, caractérisé en ce qu'il comprend de plus: - un capteur (5) d'angle du volant couplé à la colonne de direction (6) du véhicule et connecté au calculateur (4), - des moyens électroniques (13) de conversion des tensions de consignes (u1 et u2) délivrées par le calculateur de commande (4), en consignes de courant (i1 et i2), - un moteur électrique (7) dont l'axe de sortie du rotor central est solidaire de la colonne de direction (6), piloté par une consigne de courant (il) envoyée par les moyens de conversion (13) et applicant à la colonne de direction un couple de rappel (Cr) proportionnel à l'accélération transversale (rt) du véhicule, - un coupleur à poudre (10) solidaire de la colonne de direction (6), piloté par une consigne de courant (i2) envoyée par les moyens de conversion (13) et applicant à la colonne de direction un couple de frottement (Cf). 2. Dispositif de restitution d'effort selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coupleur à poudre (10) applique à la colonne de direction (6) un couple de frottement (Cf) s'exprimant sous la forme d'un produit d'une part d'une composante [Kp(V)] qui est une fonction de la vitesse (V) du véhicule, et d'autre part d'une composante [Kd(a')] qui est une fonction de la vitesse (a') du volant (1): Cf = Kp(V) * Kd(a'). 3. Dispositif de restitution d'effort selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de conversion (13) comprennent d'une part un circuit électronique (9) de commande associé à un circuit électronique (8) de puissance pour alimenter le moteur électrique (7) et d'autre part un circuit électronique (12) de commande associé à un circuit électronique (11) de puissance pour alimenter le coupleur à poudre (10). 4. Dispositif de restitution d'effort selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un capteur (14) permettant l'asservissement du courant (il) pilotant le moteur électrique (7). 5. Dispositif de restitution d'effort selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les courants (ilm et i2m) circulant respectivement dans le moteur électrique (7) et le coupleur à poudre (10), pilotés par le calculateur électronique (4) de commande et de contrôle, sont renvoyés dans les moyens de conversion (13) pour être contrôlés ensuite par ledit calculateur électronique de commande et de contrôle (4).