Brevet FR2750213A1 — publié le 19971226

Etat de la technique. La présente invention concerne un dispositif pour déterminer une vitesse de rotation notamment d'un véhicule automobile, comprenant un premier système de capteurs four-5 nissant un signal dépendant de la vitesse de rotation et fonctionnant selon un premier principe de mesure, et des moyens d'exploitation du signal qui déterminent la vitesse de rotation à partir du signal reçu. L'utilisation de capteurs de vitesse de rotation fonctionnant par exemple selon le principe d'un gyromètre à vibration, est déjà connue dans le cas de systèmes de régula- tion de la dynamique de suspension de véhicules automobiles. De tels capteurs exploitent l'effet de l'accélération de Co- riolis.15 Un tel capteur de vitesse de rotation est par exemple connu selon le document US-A-4 759 220. Le capteur se compose principalement d'un cylindre creux à paroi mince en matière élastique portant plusieurs éléments de capteur pié- zo-électrique; et à chaque fois deux éléments de capteur op- posés. Ces éléments de capteur sont mis en oscillation d'entraînement mécanique constant par une boucle d'oscillation. L'effet de Coriolis provoque, en combinaison avec une vitesse de rotation couplée perpendiculairement à l'oscillation d'entraînement, une accélération de Coriolis25 provoquant une oscillation d'entraînement dans la direction de Coriolis. Ce débattement est une mesure de la vitesse de rotation couplée. La tension de sortie obtenue est exploitée à l'aide d'un circuit détecteur et sert finalement à détermi- ner la vitesse de rotation. A côté de structures ayant une symétrie de rota- tion, on utilise également d'autres structures oscillantes pour déterminer la vitesse de rotation. Il s'agit par exemple de diapasons ou de tiges oscillantes. On peut également uti- liser des systèmes micromécaniques qui utilisent également de différentes manières la force de Coriolis dans des systèmes oscillants. L'inconvénient de tous ces systèmes oscillants, est le problème de la stabilité au point zéro ainsi que de la dérive de sensibilité en fonction de la température et de la durée de vie. Des caractéristiques appropriées ne peuvent s'obtenir qu'en mettant en oeuvre des moyens de fabrication et de contrôle importants; mais cela permet d'éviter en principe totalement le problème de la reconnaissance des dé- fauts de dérive de sensibilité. Une autre possibilité pour mesurer la vitesse de rotation consiste à utiliser l'effet dit Sagnac dans des ro- tors à fibres optiques. Ces rotors sont le mieux en mesure de satisfaire aux exigences techniques pour l'application à un véhicule automobile mais, actuellement, il s'agit de moyens qui sont d'une fabrication coûteuse. Une autre possibilité pour mesurer la vitesse de rotation consiste à utiliser un observateur externe; dans le cas le plus simple, il s'agit du champ magnétique terrestre dont la direction est mesurée à l'aide de capteurs magnéto- sensibles à l'aide d'un compas électronique. Un circuit ap- proprié utilise la variation dans le temps de l'angle entre le champ magnétique terrestre et le véhicule qui tourne, comme vitesse de rotation instantanée. Ce procédé peut avoir des problèmes engendrés par des dérangements de courte durée du champ magnétique terrestre, par exemple par les ponts en acier, le passage de véhicules, ou des rails. De tels inci- dents compliquent l'exploitation fiable d'un angle de rota- tion ou d'une vitesse de rotation. Comme la mesure de la vitesse de rotation de vé- hicules est un problème délicat et comme un capteur permet- tant de faire une telle mesure doit travailler dans une plage de températures étendue allant sensiblement de -40 C jusqu'à + 85 C, et qu'en outre les conditions posées à la stabilité au point zéro et à la dérive de sensibilité sont élevées, les dispositifs de mesure connus se posent le problème de l'amélioration, c'est-à-dire de remplir les exigences deman- dées. Avantages de l'invention. L'invention a pour but de permettre d'effectuer des mesures particulièrement fiables et précises. A cet effet, l'invention concerne un dispositif pour mesurer la vitesse de rotation notamment de véhicules automobiles, caractérisé en ce qu'en plus il est prévu un se- cond système de capteurs qui fournit un signal dépendant de la vitesse de rotation et utilisant un second principe de me- sure, les signaux du second système de capteurs étant appli- qués à des moyens d'exploitation du signal et étant pris en compte pour déterminer la vitesse de rotation. Un dispositif pour mesurer la vitesse de rota- tion, notamment dans des véhicules automobiles, selon l'invention, résout ce problème dans une plage de mesures comprise entre environ 0 et 50 /sec, pour une résolution éta- gée de 0,2 /sec. Il est particulièrement avantageux que le dispo- sitif selon l'invention puisse se réaliser de manière peu coûteuse. De plus, il est très avantageux que les examens de plausibilité soient possibles sans mettre en oeuvre des moyens importants, et que l'on dispose d'un système quasi re- dondant car, en cas de défaillance d'un système de capteur, on dispose toujours d'un second système. Les dérives à long terme, le décalage et la sensibilité en fonction de la durée de vie, sont éliminés en toute sécurité car le recalibrage se fait automatiquement. On obtient ces avantages par une combinaison de deux systèmes de mesure indépendants utilisés pour mesurer les vitesses de rotation pour un seul système; la combinai- son est telle que les inconvénients des systèmes séparés dis- paraissent tout en ayant les avantages des systèmes séparés. Pour cela on utilise deux systèmes de capteurs fonctionnant selon des principes de mesure différents. Les signaux de sor- tie des deux systèmes de capteurs sont combinés; la combi- naison se fait dans des moyens d'exploitation de signaux appropriés, par exemple sous la forme de microprocesseurs. Suivant d'autres caractéristiques: * le premier système de capteurs est un compas électronique fournissant un signal de sortie dépendant du champ magnéti- que terrestre et le second système de capteurs comprend une structure oscillante fournissant un signal dépendant de la force de Coriolis, * les moyens d'exploitation du signal comprennent un micro- contrôleur qui combine les signaux de sortie des deux sys- tèmes de capteurs pour déterminer la vitesse de rotation, * le microcontrôleur met en relation les signaux de sortie des deux systèmes de capteurs et effectue les contrôle de plausibilité pour déceler un parasite, * le premier système de capteurs est un compas avec au moins deux éléments de capteur magnétorésistants, intégrés à un pont de Wheatston, qui déterminent les composantes du champ magnétique terrestre et fournissent un signal de sortie correspondant, * un troisième élément de capteur magnétorésistant qui mesure la composante Z du champ magnétique terrestre, * le second système de capteurs comprend une structure os- cillante qui est soit un diapason soit des tiges oscillan- tes ou des structures oscillantes à symétrie de rotation, et un système micromécanique dépendant de la force de Co- riolis, * le premier système de capteurs est calibré avant la pre- mière mise en route, les valeurs obtenues pour la dérive et la sensibilité étant enregistrées dans une mémoire du mi- crocontrôleur pour être prises en compte pour la détermina- tion ultérieur de la vitesse de rotation, * le second système de capteurs est calibré en permanence en fonction des signaux de plausibilité du premier système de capteurs. Dessins. Un exemple de réalisation sera décrit ci-après à l'aide des dessins annexés dans lesquels: * la figure 1 est une vue simplifiée de l'ensemble du sys- tème, * les figures 2 et 3 montrent les calibrages d'un compas électronique utilisé par exemple comme premier système de capteur, * la figure 4 représente les résultats pour un compas analo- gique à forte résolution, et * la figure 5 montre un schéma par blocs pour une composante de vecteur d'un compas analogique à forte résolution. Description. Le dispositif selon l'invention consiste à combi- ner deux principes de mesure ou procédés de mesure différents pour déterminer la vitesse de rotation d'un corps, par exem- ple d'un véhicule automobile, et à combiner ces systèmes pour compenser les inconvénients des deux procédés de mesure et pour obtenir en même temps un système qui se surveille de lui-même et soit en outre en mesure d'éliminer les dérives de décalage et de sensibilité en fonction de la température et de la durée de vie. La figure 1 est une vue simplifiée de l'ensemble du dispositif comprenant un compas électronique 1 (premier système de capteur), un élément de mesure de vitesse de rota- tion 3 (second système de capteur), ainsi qu'un microcontrô- leur 2 fournissant un signal de sortie de la vitesse de rotation Q. La combinaison des différentes pièces se fait par un nombre approprié de lignes de liaison. La direction de la flèche indique le passage respectif des signaux. Le microcontrôleur 12 comprend usuellement égale- ment une mémoire E-Prom pour enregistrer les paramètres des courbes caractéristiques. Par une interface appropriée, on peut transmettre les valeurs de mesure à un appareil de com- mande principal. Cette interface peut être notamment un sys- tème de bus CAN qui transmet les informations au système de commande du véhicule. Le premier système de capteurs du dispositif pour mesurer la vitesse de rotation dans le véhicule automobile, comprend un compas avec chaque fois jusqu'à 3 capteurs magné- torésistants selon la qualité exigée pour le capteur. La30 forte sensibilité des capteurs magnétorésistants permet de mesurer des champs magnétiques de l'ordre de grandeur du champ magnétique terrestre, avec une bonne résolution. Pour construire un compas électronique, il faut mesurer simultané- ment le champ magnétique terrestre dans deux directions per- pendiculaires entre elles, parallèles à la surface de la terre. On réalise cela de manière simple à l'aide de deux capteurs magnétiques. Pour un tel capteur magnétique il s'agit d'un capteur extrêmement sensible appliquant l'effet magnétorésistif d'un film mince de Permalloy. Le capteur 10 comporte, en plus du pont de Wheatstone 11, magnétorésistant, une bobine intégrée LF, Lc de compensation de champ et de mise à l'état/remise à l'état initial. La bobine de compensa- tion de champ, intégrée, permet de mesurer le champ magnéti- que à l'aide d'un couplage en retour de courant et génère un signal de sortie ne présentant pas de dérive de sensibilité. La figure 5 montre un schéma par blocs d'un com- pas analogique à forte résolution pour une composante de vec- l0 teur; un préamplificateur est relié à la compensation de dérive 12 avec le capteur 10. Le couplage en retour de cou- rant est régulé par le régulateur de courant 16; la commuta- tion de la sensibilité du champ magnétique se fait à l'aide d'une source " flip " 13 qui reçoit les impulsions d'horloge 14. Le démodulateur 15 sensible en phase reçoit également des impulsions d'horloge 14 de même que les signaux de sortie du dispositif préamplificateur avec compensation de dérive. Le démodulateur 15 influence le régulateur de courant 16 qui fournit le signal de mesure à la sortie de tension et de cou- rant 17. Les bobines intégrées de mise à l'état/remise à l'état initial permettent de commuter la direction de la sen- sibilité du champ magnétique (" flip "). Pour cela il faut une courte impulsion de courant pour obtenir un alignement précis des particules magnétiques du film de Permalloy, non organisées. Une impulsion de courant négative remet le cap- teur à l'état initial et inverse ainsi le signe algébrique de sa sensibilité. Lorsque des impulsions flip, alternées, périodi- ques sont utilisées en combinaison avec un amplificateur à verrouillage interne, la sortie du capteur est indépendante de la dérive de capteur et d'amplificateur. Un compas magnétique fournit alors deux signaux de sortie Ux et Uy; les signaux Ux et Uy contiennent l'angle p par rapport au champ magnétique terrestre. On illustre cette relation aux figures 2a et 2b. Le champ magnétique ter- restre est décrit par le vecteur de champ magnétique terres- tre F. Cette mesure du vecteur de champ magnétique terrestre avec son intensité globale F = IF j se fait, selon la défini- tion, avec un instrument magnétique aligné au niveau d'une ligne verticale Z (force centrifuge) et du nord géographique. Pour la navigation, il faut connaître la décli- naison locale D (angle entre le Nord géographique et le pôle Nord magnétique, azimut, positif en comptant vers l'Est) et l'inclinaison I (angle entre F et le méridien local). On a les relations suivantes: Intensité horizontale: H*=F*cos(I)*cos(D) avec les composantes orthogonales: composante du Nord: X=F * cos(I)*cos(D) composante Est: Y=F * cos(I)*sin(D) composante verticale: Z=F * sin(I) Ces relations sont représentées à la figure 2. Pour déterminer la vitesse de rotation d'un ob- jet, il suffit en principe d'exploiter l'intensité horizon- tale H avec ses composantes x et y, la position relative H par rapport au pôle Nord géographique n'intervenant pas: Hx = H*cos9 Hy = H*sinq Dans ces formules, 9 représente l'angle entre l'axe longitudinal de l'objet observé (par un exemple un vé- hicule) et le pôle Nord magnétique (vecteur de champ H). La connaissance de la déclinaison et de l'inclinaison n'est pas supposée indispensable (figure 2b). Pour pouvoir définir parfaitement l'angle 9, il faut compenser le champ propre du lieu de montage qui s'obtient soit à l'aide d'un compas de référence soit en fai- sant tourner le véhicule d'un angle connu. La compensation du champ propre à l'aide d'un compas de référence est représen- tée une nouvelle fois à la figure 3 en haut. La figure 3 en bas montre les relations d'un compas bidirectionnel calibré sans l'assistance d'autres appareils. En calibrant à l'aide d'un compas de référence, au cours d'une première étape, on mesure la direction Nord/Sud (N/S) et dans une seconde étape, on mesure la direc- tion Est/Ouest (E/W). A partir du vecteur de champ magnétique mesuré Hm et du champ terrestre He, on forme le vecteur d'interférence Hi. Cette relation est représentée dans un diagramme en X-Y. Au calibrage du compas bidirectionnel sans l'assistance d'autres appareils, dans une première étape, on mesure le vecteur de champ magnétique Hm quelle que soit la position du véhicule. Dans une seconde étape, on tourne le véhicule de 180 et l'on mesure de nouveau le vecteur de champ magnétique. Dans une troisième étape, on calcule le vecteur d'interférence Hi en tenant chaque fois compte du champ terrestre He. Dans chaque cas, le calibrage du compas électro- nique se fait avec l'assistance d'un microcalculateur qui contient en mémoire des valeurs de compensation. Le microcal- culateur de même que la mémoire peuvent faire partie du sys- tème de capteurs lui-même ou d'une installation d'exploitation externe. Le résultat de la mesure initiale d'un compas est représenté à la figure 3. Les tensions Ux(9) et Uy(p) obte- nues par cette première mesure sont reportées dans un dia- gramme en X-Y; on obtient un cercle. La figure 4 montre les résultats pour un compas analogique à forte résolution. Les composantes de tension ainsi obtenues peuvent servir de mul-25 tiple manière pour déterminer la vitesse de rotation. En même temps, on dispose d'un certain nombre d'algorithmes à l'aide desquels on peut contrôler la plausibilité du signal de vi- tesse de rotation obtenu. L'adjonction d'un troisième capteur de champ ma- gnétique perpendiculaire au plan X-Y permet de mesurer la composante Z du champ magnétique terrestre Uz. Cela permet un contrôle de plausibilité supplémentaire de la valeur du champ magnétique. Le champ magnétique terrestre en Europe Centrale est incliné d'environ 70 par rapport à la surface de la terre. Cette connaissance peut servir au contrôle de plausibilité. La tension de sortie Uz est en outre influencée par l'inclinaison instantanée du véhicule; elle ne peut varier que dans une plage déterminée, dans la mesure o les condi- tions de circulation sont régulières. Ces conditions de cir- culation régulières sont détériorées par des oscillations de tangage, des montées et des descentes. Les déviations qui en résultent doivent être prises en compte pour un contrôle de plausibilité. Comme pour la seule utilisation du compas élec- tronique on peut prévoir une très grande sensibilité aux pa- rasites engendrée par des champs étrangers ou des parasites du champ magnétique terrestre, par exemple par des ponts, des rails, le passage de véhicules ou des causes analogues, sans mesure de protection on pourrait aboutir à de fausses vites- ses de rotation. Les parasites évoqués peuvent générer, dans la direction X et dans la direction Y des variations de si- gnal, risquant d'être interprétées à tort comme des vitesses de rotation. En utilisant un troisième capteur qui détecte la direction Z du champ magnétique terrestre on peut, en utili- sant certains algorithmes, reconnaître sans équivoque les pa- rasites. Dans de tels cas, il n'est toutefois pas possible d'obtenir la vitesse de rotation à partir des signaux du com- pas électronique. Pour cette raison, l'invention utilise un second système de capteurs réagissant à la vitesse de rotation Q. à partir d'un autre principe de fonctionnement physique. Le se- cond système de capteurs peut être par exemple un système de capteurs utilisant la force de Coriolis. Un tel système de capteurs est par exemple un diapason, un cylindre oscillant ou un oscillateur micromécanique, des tiges oscillantes ou un gyroscope magnétohydrodynamique. De tels capteurs sont en principe déjà connus et servent également à déterminer les vitesses de rotation. La combinaison des deux systèmes de capteurs qui détermine la vitesse de rotation en appliquant deux principes de mesure différents, constitue la particula- rité du système revendiqué. Comme le premier système de capteurs fournit, à l'état non dérangé, usuellement des informations très préci- ses concernant la vitesse de rotation, on n'exige pas du se- cond système de capteurs les conditions usuellement strictes concernant la stabilité du point zéro, la stabilité de la sensibilité et la linéarité. C'est pourquoi il peut s'agir d'un simple élément et peu coûteux comme ceux utilisés par exemple pour stabiliser l'image dans une caméra vidéo. On supprime ainsi les stratégies de fabrication et d'équilibrage compliquées, nécessaires pour les exigences actuelles des so- lutions de capteur " isolées " car en coopérant avec un com- pas électronique il est possible de toujours renouveler à faible coût le calibrage du second système de capteur, c'est- à-dire du capteur de vitesse de rotation et d'arriver ainsi à une valeur caractéristique propre aux appareils coûteux, pré- cieux. Le premier calibrage du second système de cap- teurs se fait après le montage dans le véhicule en coopérant avec le premier système de capteur, c'est-à-dire le compas électronique. Les paramètres obtenus pour la dérive et la sensibilité sont inscrits dans une mémoire. Pendant le dépla- cement, le second système de capteurs ou l'ensemble du sys- tème de capteurs peut être surveillé par le compas dans les phases au cours desquelles le signal du compas est plausible, et le calibrage peut être refait par exemple si les caracté- ristiques du capteur ont changé à cause d'effets de dérive à long terme. La combinaison de deux principes actifs diffé- rents permet de contrôler le signal de vitesse de rotation mieux que jusqu'alors quant à sa plausibilité car on dispose ainsi d'un système quasi redondant. Il est en outre possible d'éliminer le problème actuel de la dérive à long terme, c'est-à-dire la dérive du décalage et de la sensibilité en fonction de la durée de vie du produit, car il y a en permanence et de manière automati- que un recalibrage. La combinaison des deux signaux de cap- teur se fait dans un microcalculateur avec un convertisseur analogique/numérique à plusieurs canaux et une unité arithmé- tique puissante, qui est en mesure de traiter des algorithmes de calibrage compliqués. R E V E N D I C A T I ONS 1 ) Dispositif pour déterminer une vitesse de rotation notam- ment d'un véhicule automobile, comprenant un premier système de capteurs fournissant un signal dépendant de la vitesse de rotation et fonctionnant selon un premier principe de mesure, et des moyens d'exploitation du signal qui déterminent la vi- tesse de rotation à partir du signal reçu, caractérisé en ce qu' en plus il est prévu un second système de capteurs qui four- nit un signal dépendant de la vitesse de rotation et utili- sant un second principe de mesure, les signaux du second système de capteurs étant appliqués à des moyens d'exploitation du signal et étant pris en compte pour déter- miner la vitesse de rotation. 2 ) Dispositif pour déterminer une vitesse de rotation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier système de capteurs est un compas électronique fournissant un signal de sortie dépendant du champ magnétique terrestre et le second système de capteurs comprend une structure oscillante fournissant un signal dépendant de la force de Coriolis. 3 ) Dispositif pour déterminer une vitesse de rotation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'exploitation du signal comprennent un microcon- trôleur qui combine les signaux de sortie des deux systèmes de capteurs pour déterminer la vitesse de rotation. 4 ) Dispositif pour déterminer une vitesse de rotation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le microcontrôleur met en relation les signaux de sortie des deux systèmes de capteurs et effectue les contrôle de plausi- bilité pour déceler un parasite. ) Dispositif pour déterminer une vitesse de rotation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier système de capteurs est un compas avec au moins deux éléments de capteur magnétorésistants, intégrés à un pont de Wheatston, qui déterminent les composantes en X et Y du champ magnétique terrestre et fournissent un signal de sortie correspondant. 6 ) Dispositif pour déterminer une vitesse de rotation selon la revendication 5, caractérisé par un troisième élément de capteur magnétorésistant qui mesure la composante Z du champ magnétique terrestre. 7 ) Dispositif pour déterminer une vitesse de rotation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second système de capteurs comprend une structure os- cillante qui est soit un diapason soit des tiges oscillantes ou des structures oscillantes à symétrie de rotation, et un système micromécanique dépendant de la force de Coriolis. 8 ) Dispositif pour déterminer une vitesse de rotation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier système de capteurs est calibré avant la première mise en route, les valeurs obtenues pour la dérive et la sen- sibilité étant enregistrées dans une mémoire du microcontrô- leur pour être prises en compte pour la détermination ultérieur de la vitesse de rotation. 9 ) Dispositif pour déterminer une vitesse de rotation selon la revendication 8, caractérisé en ce que le second système de capteurs est calibré en permanence en fonction des signaux de plausibilité du premier système de capteurs.