Brevet FR2795377A1 — publié le 20001229

SYSTEME DE PILOTAGE DE L'ACTIONNEUR DE DIRECTION D'UN VEHICULE AUTOMOBILE L'invention concerne un système de pilotage de l'actionneur de direction d'un véhicule automobile, équipé d'une direction assistée hydraulique. Ce système permet la commande de l'angle de braquage des roues directrices d'un véhicule, de type utilitaire ou industriel notamment, de manière précise et rapide. I1 est destiné à être utilisé en association avec une stratégie intelligente de pilotage du véhicule qui fournit des consignes d'angle de braquage des roues et qui permet soit de diriger le véhicule, soit d'assister la conduite en améliorant le confort ou la sécurité des passagers. Actuellement, il existe de nombreux systèmes de guidage d'un véhicule ou de prise en main de sa direction pour l'assistance automatique à la conduite, qui utilisent un actionneur de direction automatisé. Pour réaliser un asservissement précis des roues, il est important de tenir compte à la fois de la complexité du boîtier d'assistance hydraulique et de la résultante des forces de contact entre les pneus et le sol. Pour les véhicules industriels, les couples de braquage sont très importants au niveau des roues, de sorte que la plupart des systèmes actuels conservent la puissance disponible fournie par le système hydraulique classique et ajoute un moteur électrique sur la colonne de direction. Un premier type de système utilise un moteur couple mis en place sur l'axe même de la colonne de direction, qui est généralement à crémaillère. Un exemple L d'application sur véhicule automobile est décrit dans la demande de brevet US 005810112. Plus rares sont les exemples d'application sur véhicules industriels lourds. La demande de brevet français 96 10789, déposée au nom de RENAULT, concerne un système d'assistance à la conduite d'un véhicule, notamment pour l'accostage d'un quai. La commande de l'actionneur de direction à partir d'un petit moteur couple placé sur la colonne du volant est réalisée par un dispositif électronique embarqué qui asservit la position de l'angle roue à partir de la mesure de l'angle des roues ou de l'angle du volant, en supposant que l'angle des roues est proportionnel à l'angle du volant. On constate que ce type de système a pour inconvénient d'être assujetti à de fortes erreurs statiques et à des réponses lentes. La correction des erreurs statiques par un intégrateur ralentit encore la convergence des réponses, et il est donc difficile d'asservir précisément les roues ou d'atteindre les bandes passantes nécessaires pour la commande latérale du véhicule à grande vitesse. Dans un deuxième type de système, la commande de l'actionneur de direction est réalisée par un moteur couple avec un dispositif d'embrayage, séparés de la colonne du volant pour des raisons d'encombrement, associés à un réducteur. Ce système permet le contrôle du moteur électrique d'assistance compensant l'inertie et le frottement introduits par le moteur et le réducteur, et prenant en compte l'influence de la dynamique du moteur. Mais les problèmes de réponses lentes du système d'une part et d'erreurs statiques d'autre part sont les mêmes que pour le type de système précédent. Un troisième type de solution propose d'intégrer au boîtier d'assistance hydraulique un dispositif électronique de contrôle de la servovalve, ou de la pompe, destiné à piloter directement l'actionneur hydraulique par régulation du débit du flux hydraulique. Une application aux véhicules industriels de type poids lourds entraînera un surcoût important et l'étude de problèmes de sûreté de fonctionnement. Le but de l'invention est de pallier ces différents inconvénients en proposant un système de pilotage de l'actionneur de direction, utilisant un moteur coaxial sur la colonne de direction, facile à installer, associé à un procédé de commande prenant en compte l'état du boîtier d'assistance hydraulique pour asservir l'angle de braquage des roues, sans mesure de l'angle des roues du véhicule par un capteur. Pour cela, le système de pilotage selon l'invention utilise un petit moteur couple, d'encombrement et de consommation limités, ainsi que deux capteurs, l'un pour la mesure de l'angle du volant et l'autre pour la mesure de la pression d'assistance à l'intérieur du boîtier d'assistance. L'objet de l'invention est un système de pilotage de l'actionneur de direction assistée hydraulique d'un véhicule industriel, associé à un module de pilotage du véhicule délivrant une consigne de braquage des roues, comportant un boîtier d'assistance hydraulique qui 4 délivre un couple sur l'axe de la colonne de direction, un moteur coaxial placé sur la colonne et un module de contrôle du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend de plus - des moyens de mesure de l'angle de braquage a,, de l'axe du moteur ; - des@moyens de mesure de la pression d'assistance Pa à l'intérieur du boîtier d'assistance ; et en ce que le module de contrôle du moteur délivre un courant I d'alimentation du moteur qui est calculé à partir de la loi de commande, établie par un régulateur, du couple u fourni par le moteur à la colonne de direction et de la consigne d'angle volant amC calculée à partir de l'angle de torsion ate de la barre de torsion du boîtier estimé d'après la mesure de pression d'assistance Pa et d'après la consigne d'angle de braquage arc des roues, selon la formule c c e am = 92 * #r + #t , 92 étant un facteur de démultiplication connu. Selon une autre caractéristique du système de pilotage, le module de contrôle du moteur comprend un module de calcul de la consigne d'angle amer du volant, recevant en entrée d'une part la valeur de l'angle du volant mesurée et la pression d'assistance Pa mesurée et d'autre part la consigne arc de l'angle de braquage des roues, et délivrant en sortie une consigne d'angle volant #J tenant compte de l'angle de torsion #t de la barre de torsion du boîtier d'assistance hydraulique, estimé à partir de la loi de valve statique @ du boîtier et de la pression d'assistance Pa par Pa = @(ate) de telle sorte que amC - 92 *arC + #-' (P.)# Selon une autre caractéristique du système de pilotage, le module de contrôle du moteur comporte de plus des moyens de filtrage linéaire de la pression d'assistance Pa mesurée au niveau du boîtier d'assistance, dont les caractéristiques sont déterminées pour réaliser une avance de phase du système, ces moyens étant connectés à l'entrée du régulateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un exemple de réalisation illustrée par les figures suivantes qui sont - La figure 1 : un schéma d'une direction assistée hydraulique pilotée, pour véhicule industriel ; - la figure 2 : un schéma synoptique de la direction assistée hydraulique d'un véhicule industriel ; - la figure 3 : un schéma fonctionnel d'un système de pilotage d'un actionneur de direction assistée, selon l'invention ; - la figure 4 : un schéma fonctionnel d'un système de pilotage selon l'invention, avec filtrage de la mesure de pression. Dans un véhicule industriel, l'architecture mécanique de la direction entre le volant 1 qui reçoit les efforts d'un conducteur et les roues directrices 2 qu'il faut braquer pour orienter le véhicule le long d'une trajectoire choisie, comprend, comme le montre la figure 1 - une colonne volant 3, - un boîtier d'assistance hydraulique 4, qui reçoit en entrée les efforts sur le volant ; - une tringlerie 5, composée de plusieurs arbres mécaniques entre le levier pendant et les roues, qui transmet le couple d'assistance disponible en sortie du boîtier d'assistance au niveau des deux roues motrices. La colonne volant 3 est constituée d'un arbre mécanique transmettant les couples de braquage du conducteur sur le volant, en entrée du boîtier d'assistance hydraulique 4, qui applique de son côté un couple de rappel au travers de la barre de torsion en entrée du boîtier. Ce couple de rappel représente la résultante, au niveau du volant, des efforts de contact du sol sur les roues transmis par tous les éléments de la direction, dont le boîtier d'assistance. C'est ce couple de rappel qui ramène le volant en position neutre dès que le conducteur le lâche en virage. Le boîtier d'assistance hydraulique 4 agit comme un amplificateur du couple fourni en entrée, qui est ensuite transmis sur le levier pendant de sortie. Le couple de sortie se compose de deux couples : un couple fort issu du système d'assistance hydraulique, et résultant de l'amplification du couple d'entrée, et un couple transmis directement au travers du boîtier et qui est le couple de torsion de la barre de torsion qui traverse le boîtier et commande la servovalve gérant l'admission du fluide de chaque côté d'un piston. Plus l'angle de torsion #t, qui est la différence entre l'angle des roues #r et l'angle du volant #m à un coefficient démultiplicateur près, est grand, plus l'assistance est grande. La tringlerie 5 des roues se compose de nombreux éléments mécaniques entre le levier pendant et les roues, pouvant être assimilés à un arbre mécanique et à des frottements visqueux. Son rôle est de transmettre le couple d'assistance hydraulique fourni par le boîtier 4 pour s'opposer au couple résultant de la route sur les pneus, afin d'asservir l'angle des roues vers une valeur de consigne, l'effort nécessaire pour braquer les roues étant directement fonction de l'effet du sol sur les roues. Les systèmes actuels de pilotage de l'actionneur de direction d'un véhicule partent de l'hypothèse que l'angle volant de référence est proportionnel à l'angle roue désiré, à un facteur de démultiplication près. or, cette approximation linéaire entre ces deux angles n'est pas valable, surtout pour les braquages faibles comme ceux réalisés lors de la conduite à grande vitesse sur les autoroutes où les rayons de courbure sont très grands. Le système de pilotage est destiné à être associé à une stratégie intelligente de pilotage du véhicule fournissant des consignes en angles de braquage des roues, pour permettre soit de diriger le véhicule soit d'assister la conduite en améliorant le confort ou la sécurité. Pour cela, le système de pilotage de l'actionneur de direction assistée hydraulique comporte, comme le montre le schéma synoptique de la figure 2, un moteur 7 coaxial placé sur la colonne 3 du volant, capable de fournir des couples relativement faibles inférieurs à 15 Nm, auquel sont associés des moyens 8 de mesure de l'angle de braquage #m de l'axe du moteur, qui est le même que celui du volant, c'est-à-dire de la position relative de la colonne de direction par rapport à sa position de repos. Ce peut être par exemple un codeur directement intégré dans le moteur couple. I1 comporte également des moyens 9 de mesure de la pression d'assistance Pa à l'intérieur du boîtier d'assistance 4. Ce peut être un capteur placé au niveau de la pompe hydraulique, qui délivre une information sur la différence de pression entre les deux compartiments du piston du boîtier hydraulique 4. I1 comporte enfin un module de contrôle 10 du moteur 7, pour l'asservir à une consigne de braquage des roues #r envoyée par un module 11 de pilotage du véhicule. Le module 10 de contrôle du moteur doit asservir l'angle de braquage du volant délivré par le moteur 7 à une valeur de référence qui correspond à une consigne d'angle de roue donnée par le module 11. I1 doit donc calculer la consigne de braquage du moteur #,c à partir de laquelle les roues seront bien braquées de l'angle arc souhaité. L'angle de roue #r et l'angle du volant #R, sont reliés par une relation mettant en jeu l'angle de torsion at de la barre de torsion du boîtier d'assistance 4. Cet angle at détermine l'ouverture de la servovalve qui pilote le boîtier et fournit plus ou moins de pression de chaque côté du piston. Il dépend des conditions de fonctionnement du système, comme par exemple de la réaction du sol sur les roues. Ainsi, on peut considérer que la relation suivante est valable #m = at + 92 * #r où 92 est le facteur de démultiplication connu. Pour réaliser un asservissement précis de l'angle des roues ar à une consigne arc, particulièrement important dans le cas de petits angles sur autoroute, il faut déterminer l'angle de torsion désiré atd en entrée du boîtier d'assistance, qui correspond à un angle de roue désiré a,rd et asservir ensuite l'angle volant a, à l'angle volant désiré amd. Cet angle de torsion désiré atd est donné à l'équilibre, pour une consigne #r d d'angle de roue donnée par l'équation Pad = @ (atd) où @ est la loi de valve, donnant la pression d'assistance Pa en fonction du couple exercé sur la barre de torsion à l'entrée du boîtier d'assistance hydraulique. Cette caractéristique est obtenue à l'aide des courbes statiques de la loi de valve données généralement par le constructeur du boîtier. Le système ne comportant pas de moyens supplémentaires délivrant des informations sur le système telles que les forces de contact entre les pneus du véhicule et le sol, la pression d'assistance Pa" désirée pour une consigne d'angle de roue arc n'est pas connue. Par contre, selon une caractéristique essentielle de l'invention, le système comporte des moyens de mesure de la pression d'assistance Pa à partir de laquelle est construit un observateur de l'angle de torsion. Ainsi, la pression d'assistance mesurée Pa permet d'obtenir l'angle de torsion estimé, et non pas désiré Pa = @ (,te) . Puis, cet angle de torsion estimé permet d'établir, pour une consigne d'angle de roue désirée (.r', la consigne d'angle volant #,c à laquelle doit être asservi le moteur ( 3) amc = #t' + 92 * arc amc = #_' (Pa) + 92 * arc. = H (Pa, arc) Après ce calcul de la référence d'angle volant amc dans un sous-module 12, l'angle volant a, mesuré par le codeur 8 au niveau du moteur 7 est asservi à cette référence dans un régulateur 13 selon un principe illustré par le schéma fonctionnel de la figure 3. En mettant en équation le système mécanique constitué par le volant, la colonne de direction, le moteur et le boîtier d'assistance, avec It = moment d'inertie du volant, de la colonne et du moteur ; #m = angle de l'axe de la colonne ; rv = couple produit par les efforts sur le volant ; u = couple fourni par le moteur sur la colonne ; rt = couple de torsion de la barre d'entrée du boîtier d'assistance ; rf = couple de frottements sec et visqueux, on peut écrire la relation fondamentale de la dynamique sur la colonne de direction par l'équation différentielle (4) It * d2am/dt2 = u + FV _ rt _ Le couple de frottements rf est la somme d'un couple de frottement sec f. et d'un couple de frottement visqueux fuel * docm/dt (5) Irf = fs + fuel * dam/dt. Le couple de torsion rt est la somme d'un terme de raideur de torsion et d'un terme de frottement visqueux différentiel qui s'exprime en fonction de la raideur k2 de la barre de torsion et d'un coefficient fv2 de frottement visqueux sur cette barre (6) rt = k2 * #t + f"2 * dat/dt rt = k2* (a,m - 92 * #r) + fv2 * d (am-g2*ar) /dt. Le régulateur peut contrôler l'angle moteur #m par une loi de commande de plusieurs types. Par exemple, cette loi de commande peut être de type proportionnel dérivé de sorte que le couple fourni par le moteur sur la colonne est (7) u = - kp * (#m - am ) - kd * d(am - amer) /dt. Les performances obtenues avec ce type de correction dépendent fortement de la consigne d'angle de roue. Pour les petits angles, l'erreur statique est assez importante, alors que pour des angles plus grands, elle est faible par rapport à l'angle de roue désiré. Grâce au calcul de la consigne d'angle moteur ami par la pression d'assistance Pa, mesurée selon la relation (3) qui apporte une information importante sur les forces de contact entre les pneus et le sol du fait du rebouclage interne du système, le problème d'erreur statique est supprimé. La loi de commande peut aussi être de type proportionnel intégral dérivé, de sorte que le couple u s'exprime (8) u = - kp* (am-amc) -kd*d (OCm-#mc) /dt-ki*J (#m-#mc) dt. Le problème des petits angles est le même car le transfert entre l'angle de roue et l'angle du moteur est non linéaire, mais il est résolu par le choix de la consigne amer selon l'invention. Pour améliorer la convergence de l'angle volant #m vers sa valeur de consigne amer, l'invention utilise une loi de commande de type proportionnel dérivé associée à un terme non linéaire robuste qui accroît le gain pour les petits angles, et qui améliore la réjection des perturbations ainsi que la bande passante. Ce terme robuste s'exprime ainsi - ka * arctg (kb*s) avec s = d (#m - #m ) /dt + ;. (#m - ami) = [kd+(kd2-4kp*It) 1/2 ] /2 et ka et kb = coefficients de réglage. De plus, pour annuler l'erreur statique, on ajoute un terme issu de la dynamique zéro qui s'exprime par k2 * octe avec k2 : raideur de la barre de torsion. La loi de commande s'exprime alors selon l'équation (9) du couple u: u=-kp*(am-amc)-kd*d(am-amc)/dt+k2*ate-ka*arctg(kb*s) L'équation d'erreur résultante de cette commande est donnée par It*d2(a,m-ocmc)/dt2+kd*d(am-(Xmc)/dt+kp*(am-amc)=-ka*arctg(kb*s)+8 8 étant un terme perburbateur borné, dépendant des états. Le choix des constantes kp et kd autorise une bande passante raisonnable, le temps de réponse au niveau de l'asservissement de l'angle volant est choisi autour de 0,5 seconde. Pour une fréquence de coupure fc voisine de 2 Hz, on peut choisir kp = 30 et kd = 10. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, le système de pilotage comporte des moyens 14 de filtrage de la pression mesurée au niveau du boîtier d'assistance hydraulique, destinés à l'avance de phase du système pour asservir les roues aussi rapidement et précisément qu'il le fait au niveau du volant. En effet, étant donné la dynamique interne de pression du système qui ne transmet pas aussi rapidement le mouvement du volant aux roues, une augmentation des gains du régulateur pour accroître le temps de réponse de l'asservissement en angle volant n'améliorera pas ses performances au niveau des roues. Pour résoudre ce problème, le système de pilotage réalise une avance de phase, au moyen d'un filtrage de la pression d'assistance, qui permet d'anticiper la pression nécessaire au braquage des roues d'un angle déterminé. Il s'agit d'un filtre linéaire simple du type F(s) = (l+as)/(l+bs) avec a=0,5 et b=0,1 pour que l'avance de phase ait lieu dans la plage des fréquences [0,3 Hz, 2 Hz], qui est ensuite discrétisé pour son implantation dans un circuit électronique embarqué Paf (t) = e,-,/b) *Paf (t-T) +a/b*Pa (t) + (1-e T/b-a/b) *Pa (t-T) Pa étant la pression d'assistance donnée par le capteur ; Paf étant sa valeur après filtrage ; T étant la période d'échantillonnage. L'estimation de la pression d'assistance à l'équilibre est améliorée grâce à ce filtrage, qui permet d'obtenir des temps de réponse très satisfaisants au niveau des roues. Comme le montre le schéma fonctionnel de la figure 4, le soUs-module 12 calcule alors la référence amer de l'angle volant à partir de la pression filtrée Paf, qui est égale à Paf = @ (ate) donc #,,,c = @-1 (Paf) + g2*(,rc ocm étant alors la nouvelle consigne appliquée au régulateur 13. Cette dynamique de la pression qui n'atteint pas instantanément la pression d'équilibre est due en partie au fait que le système utilise une estimation de l'angle de torsion ate, et non l'angle désiré lui-même. Ce filtrage de la mesure de pression évite les dépassements intempestifs dus à la dynamique lente de la pression et réduit la sensibilité de cette commande au bruit de la mesure de pression. Le module de contrôle 10 du système de pilotage comprend encore un sous-module 15 de commande du moteur en courant, qui transforme le couple délivré par le régulateur 13 en courant I d'alimentation du moteur 7. Ce dernier exerce un couple Fn, sur la colonne de direction, qui reçoit par ailleurs la résultante Fr des efforts du sol exercés sur les roues du véhicule, de telle sorte que les roues sont orientées d'un angle ar qui doit tendre vers la consigne arc imposée par le module de pilotage 11. Le système de pilotage d'un actionneur de direction assistée selon l'invention élimine le problème d'erreur statique important rencontré avec tous les systèmes de contrôle de la direction actuels qui commandent directement l'angle volant. La mesure de la pression donne une information intéressante sur les forces de contact entre les pneus du véhicule et le sol en raison du rebouclage interne du système. Grâce au système, le braquage des roues est facilité puisque l'effet de sol est compensé. De plus, les temps de réponse obtenus sont bons et permettent d'associer ce système à un dispositif de commande latérale du véhicule. Un intérêt supplémentaire de ce système provient de l'acquisition aisée d'informations importantes, par des capteurs s'insérant naturellement dans le système, contrairement à la mesure de l'angle de roue qui nécessite une installation supplémentaire. De plus, la dynamique interne de pression est analysée et le régulateur est élaboré à partir du comportement du système. R E V E N D I C A T I O N S 1. Système de pilotage de l'actionneur de direction assistée hydraulique d'un véhicule industriel, associé à un module de pilotage du véhicule délivrant une consigne de braquage des roues directrices, comportant un boîtier d'assistance hydraulique qui délivre un couple sur l'axe de la colonne de direction, un moteur coaxial placé sur la colonne et un module de contrôle du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend de plus - des moyens (8) de mesure de l'angle de braquage (#m) de l'axe du moteur ; - des moyens (9) de mesure de la pression d'assistance (Pa) à l'intérieur du boîtier d'assistance ; et en ce que le module (10) de contrôle du moteur (7) délivre un courant (I) d'alimentation du moteur qui est calculé à partir de la loi de commande, établie par un régulateur (13), du couple (u) fourni par le moteur à la colonne de direction et de la consigne d'angle volant (amc) calculée à partir de l'angle de torsion ,te ) de la barre de torsion du boîtier (4) estimé d'après la mesure de pression d'assistance (Pa) et d'après la consigne d'angle de braquage (arc) des roues, selon la formule amc - 92 * arc + a te, 92 étant un facteur de démultiplication connu. 2. Système de pilotage de l'actionneur de direction assistée hydraulique d'un véhicule industriel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module (10) de contrôle du moteur (7) comprend un module (12) de calcul de la consigne d'angle (#,c) du volant, recevant en entrée d'une part la valeur de l'angle du volant mesurée par les moyens (8) et la pression d'assistance (Pa) mesurée par les moyens (9) et d'autre part la consigne (arc) de l'angle de braquage des roues par le module (11), et délivrant en sortie une consigne d'angle volant (,m ) tenant compte de l'angle de torsion (#t) de la barre de torsion du boîtier d'assistance hydraulique (4), estimé à partir de la loi de valve statique (@) du boîtier (4) et de la pression d'assistance (Pa) par Pa = @ (ate) de sorte que amC - 92 *arc + 1 (Pa) 3. Système de pilotage de l'actionneur de direction assistée hydraulique d'un véhicule industriel selon la revendication 2, caractérisé en ce que le module (10) de contrôle du moteur comporte de plus des moyens (14) de filtrage linéaire de la pression d'assistance (Pa) mesurée au niveau du boîtier d'assistance, dont les caractéristiques sont déterminées pour réaliser une avance de phase du système, ces moyens (14) étant connectés à l'entrée du régulateur (13). 4. Système de pilotage de l'actionneur de direction assistée hydraulique d'un véhicule industriel selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le module (10) de contrôle du moteur (7) comprend de plus un régulateur (13) établissant le couple (u), que doit fournir le moteur (7) sur la colonne de direction pour asservir l'angle mesuré (a,,) du volant (1) à la consigne d'angle volant (ami) calculée par le module (12), selon une loi de commande de type proportionnel dérivé associée d'une part à un terme non linéaire robuste déterminé pour accroître le gain pour les petits angles et améliorer la rejection des perturbations et la bande passante, et d'autre part à un terme issu de la dynamique zéro pour annuler l'erreur statique et qui est égal au produit de l'angle de torsion estimé (ate) par la raideur (k2) de la barre de torsion. 5. Système de pilotage de l'actionneur de direction assistée hydraulique d'un véhicule industriel selon la revendication 4, caractérisé en ce que le terme non linéaire robuste s'exprime par : -ka * arctg(kb * s) avec s = d (am-amc) / dt + % (Ocm-OCmc) avec ka, kb et @, : les gains du régulateur robuste. 6. Système de pilotage de l'actionneur de direction assistée hydraulique d'un véhicule industriel selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le module (10) de contrôle du moteur (7) comprend de plus un sous-module (15) de commande du moteur en courant, transformant le couple (u) délivré par le régulateur (13) en courant d'alimentation (I) du moteur pour qu'il exerce un couple (T.) sur la colonne de direction.