Brevet FR2819590A1 — publié le 20020719

La présente invention concerne un procédé d'estimation de l'adhérence maximale d'un véhicule automobile sur une route, en particulier par temps de pluie. Cette estimation a pour but de renseigner le conducteur du véhicule sur sa distance minimale de freinage, d'adapter automatiquement la distance de suivi d'un véhicule cible dans le cadre d'une conduite assistée, ou bien encore d'adapter les stratégies d'assistance au freinage. Dans les systèmes actuels d'assistance à la conduite, le conducteur peut non seulement réguler la vitesse de son véhicule sur une consigne choisie, mais encore choisir de contrôler automatiquement la distance de suivi avec les véhicules précédents grâce à un détecteur d'obstacles placé à l'avant du véhicule tel qu'un radar. Pour sécuriser de tels systèmes, il faut adapter la distance de suivi à la vitesse du véhicule et aux conditions extérieures de roulage telles que la densité du trafic ou le niveau d'adhérence de la route, qui va fixer la distance minimale de freinage. Par exemple, le passage entre une chaussée en asphalte sec, de coefficient d'adhérence maximal égal à 1, et une chaussée humide, de coefficient d'adhérence maximal égal à 0,7, augmente la distance de freinage de 43 %, alors qu'entre une chaussée sèche et une chaussée glissante en pavés mouillés, de coefficient d'adhérence maximal égal à 0,3, cette même distance de freinage est augmentée de 233 %. Ces valeurs montrent l'importance de la prise en compte de l'adhérence maximale du couple véhicule-chaussée. La liaison entre le véhicule et le sol est assurée par l'intermédiaire des pneumatiques et régie par les lois de l'adhérence, qui se décompose en une composante longitudinale suivant l'axe parallèle au déplacement du véhicule sur la chaussée et en une composante transversale suivant l'axe perpendiculaire à ce déplacement. La perte de ces deux éléments entraîne un allongement des distances d'arrêt, ainsi qu'une perte de la direction et de la stabilité du véhicule. Le système composé du véhicule, équipé de pneumatiques, et de la chaussée est très complexe à définir. Parmi les caractéristiques des pneus, il faut retenir leurs dimensions, leur architecture, leur usure ou leur température ; parmi celles du véhicule, il faut retenir la vitesse comme la répartition de la charge ; parmi celles de la chaussée, il faut tenir compte de sa micro et macro géométrie ainsi que de sa capacité de drainage, auxquelles il faut ajouter la quantité et la qualité du lubrifiant qui la recouvre, sa nature-eau, huile-, son épaisseur et sa température entre autres. Conventionnellement, pour étudier le coefficient d'adhérence d'un véhicule sur une chaussée, on analyse le glissement du pneumatique, soit le mouvement relatif entre le pneu et la surface de la route, qui correspond à la différence entre la vitesse de la roue et la vitesse de déplacement du véhicule. Ce coefficient d'adhérence Il est défini comme le rapport entre la force longitudinale F transmise par le pneu, qu'elle soit de traction ou de freinage, et l'effort normal N qui s'exerce sur le pneu : La courbe de la figure 1 représente schématiquement les variations du coefficient d'adhérence Il en fonction du glissement g du pneu. L'estimation de la valeur maximale de l'adhérence permet de déterminer, au préalable, la zone Z de fonctionnement du freinage par un système d'anti-blocage de roues de type ABS, matérialisée par un rectangle en pointillés, et par conséquent la distance minimale d'arrêt du véhicule. Expérimentalement, on constate que l'état de surface du revêtement de la chaussée ainsi que la présence de lubrifiant, de l'eau en particulier, sur la chaussée ont une influence primordiale sur la valeur du coefficient d'adhérence. Il existe actuellement un premier type de solutions au problème de la détection et/ou de l'estimation du coefficient d'adhérence, basé sur des informations concernant le véhicule, telles que la vitesse des roues, connues déjà sans instrumentation supplémentaire. Ainsi, le brevet américain déposé au nom de NISSAN, sous le numéro US 6 015 192, utilise une mesure de la vitesse angulaire et une mesure du couple moteur agissant sur chacune des roues, ainsi qu'une estimation de la répartition de la charge. Une unité de calcul fournit la force longitudinale appliquée à chacune des roues et réalise une estimation de la vitesse effective du véhicule. Des considérations sur la vitesse des roues, sur les forces longitudinales et sur le glissement des pneumatiques permettent une estimation du coefficient d'adhérence. Si une telle méthode est relativement précise pour la détermination du coefficient d'adhérence effectif, elle est beaucoup moins adaptée pour l'estimation du coefficient d'adhérence maximal. Un deuxième type de méthode est basé sur des mesures de contraintes dans la bande de roulement des pneus. Ainsi, le brevet américain déposé au nom de CONTINENTAL, sous le numéro US 5 964 265, est basé sur la mesure des contraintes longitudinales et transversales dans la bande de roulement du pneu, à l'aide d'un ensemble de capteurs magnétiques disposés dans cette bande de roulement. Un traitement de l'information délivrée par ces capteurs permet d'en déduire un coefficient d'adhérence. Une telle méthode est délicate à mettre en oeuvre et est difficilement industrialisable. On peut citer un troisième type de solution, basé sur les stratégies de freinage, comme celui décrit dans le brevet américain US 5 869 742, déposé au nom de WABCO. Il propose l'estimation du coefficient d'adhérence à partir de la pression de freinage, du rapport de freinage, c'est-à-dire de la relation entre pression d'action et couple de freinage, de l'estimation de la charge du véhicule et de sa décélération mesurée par un accéléromètre ou bien estimée à partir de la vitesse angulaire des roues. Le principal inconvénient est que cette estimation de l'adhérence n'est disponible que dans les phases de freinage. L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé d'estimation du coefficient d'adhérence maximal d'un véhicule à partir d'une estimation de l'état de la chaussée par mesure des vibrations du châssis provoquées par la projection d'eau envoyée par les pneus dans les passages de roue, lorsque le véhicule se déplace sur route mouillée et par une mesure de la vitesse de déplacement du véhicule. Cette estimation de l'état de la chaussée est ensuite modulée par la vitesse du véhicule mesurée et par la charge du véhicule estimée. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'estimation de l'état de la chaussée par mesure vibratoire représentative de la quantité d'eau projetée par les pneus est complétée par une estimation de la rugosité du revêtement de la chaussée. Un autre objet de l'invention est un dispositif de mise en oeuvre du procédé d'estimation de l'adhérence maximale, comprenant, en plus d'un calculateur électronique : - au moins un capteur accélérométrique solidaire du pare-chocs du véhicule, au niveau d'un passage de roue, recevant les projections d'eau envoyées par le pneu de ladite roue et délivrant une information sur le niveau de projection d'eau, - des moyens de mesure de la vitesse du véhicule, - des moyens d'estimation de la charge du véhicule, - un module électronique de détermination de l'état de la chaussée recevant en entrée des informations du capteur accélérométrique, et la vitesse du véhicule ; - un module électronique d'estimation du coefficient d'adhérence maximale recevant l'état de la chaussée, la vitesse du véhicule et la charge estimée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description illustrée par les figures suivantes qui sont, outre la figure 1 déjà décrite : - la figure 2 : un organigramme des différentes étapes d'un procédé d'estimation de l'adhérence maximale selon l'invention ; - la figure 3 : un exemple non limitatif de dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le procédé d'estimation de l'adhérence maximale d'un véhicule sur une route, en particulier par temps de pluie, repose sur une estimation de l'état de la chaussée à laquelle est ensuite associé un coefficient d'adhérence. Cet état de la chaussée est estimé à partir d'une mesure des vibrations du châssis du véhicule provoquées par les projections d'eau envoyées par les pneus dans les passages de roue lorsque le véhicule se déplace sur route mouillée. Cette mesure accélérométrique des vibrations du châssis, donc du pare-chocs solidaire des passages de roue, est représentative d'une part de la présence d'un film d'eau sur la chaussée et d'autre part de la quantité de projections donc de l'épaisseur de ce film d'eau. Ainsi, dans une première variante du procédé, le niveau de projections mesuré tient compte à la fois de la quantité d'eau répandue sur la chaussée et de l'état de surface du revêtement, c'est-à-dire de son caractère plus ou moins drainant. A ce niveau de projection mesuré, on associe par cartographie un état de la chaussée, qui est ensuite modulé par la vitesse du véhicule mesurée et par l'estimation de la charge, ayant une influence importante sur le comportement du véhicule sur la chaussée. Le schéma de la figure 2 montre les différentes étapes du procédé de mesure de l'adhérence maximale selon l'invention. Ainsi, il comporte une étape a) de mesure accélérométrique des vibrations du châssis causées par les projections d'eau dans les passages de roue, ainsi qu'une étape b) de mesure de la vitesse du véhicule, à partir desquelles est réalisée une étape c) de détermination d'un état de la chaussée. Une étape suivante d) d'estimation de l'adhérence maximale du véhicule sur la route est réalisée à partir de cet état de la chaussée d'une part, de la mesure de la vitesse du véhicule réalisée à l'étape b) ainsi que d'une estimation de la charge de ce véhicule lors d'une autre étape e), d'autre part. Dans une deuxième variante du procédé, sont gérées les ambiguïtés de l'état de la chaussée à niveau de projections d'eau équivalents. Il s'agit par exemple de différencier une route qualifiée de lisse, faiblement mouillée, d'une route qualifiée de rugueuse, fortement mouillée. Pour cela, le procédé réalise de plus une étape f) d'estimation de la rugosité de la chaussée, qui est étroitement liée à la granulométrie du revêtement. Cette estimation, par voie solidienne entre le revêtement de la chaussée et des moyens de mesure, peut être obtenue de deux façons différentes. Selon une première version, la rugosité est estimée à partir d'une mesure des vibrations issues des amortisseurs du véhicule, effectuée par un capteur 16, du type laser par exemple. Selon une deuxième version, la rugosité de la chaussée est obtenue par un traitement spécifique g) de la mesure accélérométrique des vibrations du pare-chocs, effectuée dans les passages de roue, représenté en pointillés sur la figure 2. La mesure des vibrations du châssis est réalisée par un capteur de type accélérométrique, disposé dans le passage de roue où il reçoit des projections d'eau envoyées par la roue se déplaçant sur route mouillée. L'élément actif de l'accéléromètre peut être une masse se déplaçant entre un ressort et un élément piézo-électrique liés par leurs deux autres extrémités au passage de roue en mouvement. Quand l'accéléromètre est soumis à des vibrations, la masse exerce une force variable sur l'élément piézo-électrique qui produit une charge électrique représentative de la force. Pour ne pas diminuer la bande passante du capteur en le vissant directement sur le pare-chocs du véhicule, il est plutôt fixé magnétiquement, à une pastille métallique, collée sur la face intérieure du passage de roue. La deuxième version du procédé dans laquelle le même capteur accélérométrique délivre un signal qui peut être exploité pour donner d'une part une information sur le niveau de projection d'eau et d'autre part une information sur la rugosité de la chaussée est intéressante, car expérimentalement on constate que l'exploitation du signal accélérométrique est tout à fait envisageable dans le domaine fréquentiel. Expérimentalement, on montre que la rugosité du revêtement est transmise au véhicule par les pneus sous forme de vibrations qui sont propagées par la caisse et le châssis jusqu'au passage de roue et au capteur accélérométrique. L'ensemble de ce système joue alors un rôle de filtre passe-bas, dont la fréquence de coupure est voisine de 1000 Hz. Ainsi la rugosité se caractérise dans les basses fréquences du signal accélérométrique, inférieures à 1000 Hz, tandis que le niveau de projections d'eau se caractérise dans les fréquences supérieures. Dans cette version, le procédé exploite les signaux après plusieurs filtrages passe-bande g), comme le montre la figure 2. Selon un premier mode de réalisation représenté schématiquement sur la figure 3, le dispositif de mise en oeuvre du procédé d'estimation de l'adhérence maximale comporte au moins un capteur accélérométrique 10 fixé dans un passage de roue du véhicule, un capteur 11 de mesure de la vitesse du véhicule et des moyens 12 d'estimation de sa charge. Pour réaliser la deuxième variante du procédé, soit le dispositif comporte de plus un capteur 16 d'estimation de la rugosité de la chaussée, par mesure des vibrations issues des amortisseurs du véhicule, selon la première version, soit il comporte de plus plusieurs filtres passe-bande 14 du signal accélérométrique selon la deuxième version. Ainsi, en entrée d'un premier module 13 de détermination de l'état de la chaussée, sont associés le signal accélérométrique, les sorties du banc de filtres passe-bande 14 et la vitesse du véhicule mesurée. Ledit module délivre un état de la chaussée, c'est-à-dire une information sur la quantité de lubrifiant et une information sur la rugosité du revêtement. A cet état de la chaussée, un second module 15 associe un coefficient d'adhérence. Une telle association peut être réalisée par cartographie, par exemple par une carte auto-organisatrice de Kohonen, où chaque prototype décrit un état de la chaussée et un coefficient d'adhérence. Chaque prototype est un ensemble de points partageant les mêmes caractéristiques-vitesse de roulage, même niveau vibratoire dans chacune des bandes de fréquences de projections d'eau et dans chacune des bandes de fréquences de la rugosité de la chaussée-. De plus, les prototypes occupant une zone de maillage peuvent correspondre à une route sèche et lisse, alors qu'une autre zone correspond à une route sèche et rugueuse. Une estimation de la charge du véhicule ainsi que la mesure de la vitesse du véhicule pondère cette estimation du coefficient d'adhérence. Selon un autre mode de réalisation du dispositif de mise en oeuvre du procédé d'estimation de l'adhérence maximale, il comporte quatre capteurs accélérométriques, soit un dans chaque passage de roue du véhicule, associés chacun à un module de détermination de l'état de la chaussée et à un module de calcul de l'adhérence maximale, ainsi que des moyens de fusion des coefficients d'adhérence calculés pour chacune des quatre roues, afin d'obtenir une estimation plus précise du coefficient global du véhicule. Cette meilleure estimation permettrait d'affiner les stratégies de pilotage de l'assistance au freinage. Selon une autre caractéristique de l'invention, si la ou les roues provoquant les projections d'eau sur le passage de roue, sont sous couple, le procédé comporte de plus une étape h) de mesure de ce couple, par un capteur approprié 21, qui sera prise en compte lors de l'évaluation de l'état de la chaussée et du calcul de l'adhérence maximale. Il est également possible de délivrer des informations supplémentaires au module 13 d'estimation de l'état de la chaussée en particulier sur le degré d'humidité ambiante-étape k-ou bien sur la température extérieure-étape 1 par des capteurs appropriés 17 et 22 respectivement. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé d'estimation de l'adhérence maximale à partir de l'état de la chaussée est couplé à un autre procédé D d'estimation de l'adhérence à partir de la mesure i) des vitesses de roues et de la mesure j) du couple et de l'angle volant, pour délivrer un niveau d'adhérence en toute situation, comme le montre schématiquement la figure 2. En effet, une roue bloquée sur un freinage ou une roue qui patine peut induire une variation dans le niveau de vibrations, parce que la projection d'eau est réduite dans le premier cas et amplifiée dans le second cas. De même, si le capteur est placé derrière une roue avant, le changement de direction induira une variation des vibrations par projection d'eau, parce que le lieu d'impact des gouttelettes sur le passage de roue est modifié par la rotation des roues selon la verticale. Enfin, le procédé peut prendre en compte des informations sur l'adhérence issues des systèmes de freinage 18 avec anti-blocage ABS et 19 avec anti-patinage ASR équipant le véhicule, afin d'opérer de nouveaux calibrages du coefficient d'adhérence maximale estimé, comme le montre schématiquement la figure 3. En effet, le système ABS, à partir de la vitesse du véhicule ainsi que de la décélération du véhicule en train de freiner, indique si une roue est bloquée ou non au premier système estimateur 15 d'adhérence selon l'invention, comme au second estimateur 150 précédemment décrit. De même, le système ASR, à partir de la vitesse du véhicule ainsi que de l'accélération du véhicule va indiquer au contraire si une roue patine ou non aux deux estimateurs d'adhérence. Ces informations sont fusionnées dans des moyens 20 pour délivrer une estimation E la plus juste possible de l'adhérence. Grâce au procédé de mesure en continu du coefficient maximal d'adhérence du couple véhicule-chaussée selon l'invention, l'adaptation de la distance de suivi à la distance minimale de freinage est réalisée, ce qui améliore considérablement l'assistance à la conduite. En effet, cette assistance prend en compte l'état de la chaussée, c'est-à-dire le relief du revêtement par sa granulométrie d'une part et la présence d'un film d'eau rendant la chaussée plus ou moins glissante d'autre part. REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation de l'adhérence maximale d'un véhicule automobile se déplaçant sur une route mouillée et équipé d'un calculateur électronique, caractérisé en ce qu'il comprend une estimation (c) de l'état de la chaussée à partir d'une part d'une mesure (a) des vibrations du châssis provoquées par la projection d'eau envoyée par les pneus, dans un passage de roue au moins, en raison du déplacement du véhicule sur la chaussée mouillée, et d'autre part d'une mesure (b) de la vitesse de déplacement du véhicule, cet état de la chaussée étant modulé par la vitesse du véhicule mesurée et par une estimation (e) de la charge du véhicule pour en déduire un coefficient d'adhérence maximal. 2. Procédé d'estimation de l'adhérence maximale selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'estimation de l'état de la chaussée est complétée par une estimation (f) de la rugosité du revêtement de la chaussée. 3. Procédé d'estimation de l'adhérence maximale selon la revendication 1, caractérisé en ce que les vibrations du châssis du véhicule provoquées par projection d'eau venant de la chaussée sont évaluées à partir d'une mesure accélérométrique des vibrations du pare-chocs dans au moins un passage de roue qui reçoit les projections d'eau envoyées par le pneu se déplaçant sur la chaussée mouillée. 4. Procédé d'estimation de l'adhérence maximale selon la revendication 1, caractérisé en ce que les vibrations du châssis du véhicule provoquées par projection d'eau venant de la chaussée sont évaluées à partir d'une mesure accélérométrique des vibrations du pare-chocs dans chacun des quatre passages de roue qui reçoivent les projections d'eau envoyées par les quatre pneus se déplaçant sur la chaussée mouillée, et en ce que les coefficients maximaux déduits de ces quatre mesures accélérométriques sont fusionnés pour obtenir un coefficient global du véhicule. 5. Procédé d'estimation de l'adhérence maximale selon les revendications 2 et 3 ou 4, caractérisé en ce que l'estimation de la rugosité de la chaussée est obtenue par un traitement spécifique de la mesure accélérométrique des vibrations du pare-chocs dans le passage de roue après plusieurs filtrages passe-bande (g). 6. Procédé d'estimation de l'adhérence maximale selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'estimation de la rugosité de la chaussée est obtenue à partir d'une mesure des vibrations issues des amortisseurs du véhicule. 7. Procédé d'estimation de l'adhérence maximale selon l'une des revendications 2 ou 4, caractérisé en ce que, dans le cas où les roues provoquant les projections d'eau sur les passages de roues sont sous couple, il comporte une étape supplémentaire (h) de mesure de ce couple, qui est prise en compte lors de l'évaluation de l'état de la chaussée. 8. Procédé d'estimation de l'adhérence maximale selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'estimation de l'état de la chaussée est complétée par des informations relatives au degré d'humidité ambiante et/ou à la température extérieure. 9. Procédé d'estimation de l'adhérence maximale selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est couplé à un procédé (D) d'estimation de l'adhérence à partir de la mesure (i) des vitesses de roues et de mesure U) du couple et de l'angle volant, pour délivrer un niveau d'adhérence en toute situation. 10. Dispositif de mise en oeuvre du procédé d'estimation de l'adhérence maximale d'un véhicule automobile, comprenant un calculateur électronique relié à des capteurs, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un capteur accélérométrique (10) solidaire du pare-chocs, au niveau d'un passage de roue, recevant les projections d'eau envoyées par le pneu de ladite roue, délivrant un signal accélérométrique représentatif des vibrations du châssis ; - un capteur (11) de mesure de la vitesse du véhicule ; - des moyens (12) d'estimation de la charge du véhicule ; - un module électronique (13) de détermination de l'état de la chaussée recevant en entrée des informations du capteur accélérométrique, et la vitesse du véhicule ; - un module électronique (15) d'estimation du coefficient d'adhérence maximale recevant l'état de la chaussée, la vitesse du véhicule et la charge estimée. 11. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le module électronique (13) de détermination de l'état de la chaussée comporte des premiers moyens de traitement du signal accélérométrique délivré par le capteur (10) pour mesurer les vibrations du pare-chocs provoquées par les projections d'eau ; et des seconds moyens de traitement du signal accélérométrique délivré par le capteur (10) et filtré par plusieurs filtres passe-bande (14), pour caractériser la rugosité du revêtement de la chaussée. 12. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un capteur (16) de rugosité qui mesure les vibrations du châssis issues des amortisseurs du véhicule. 13. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte quatre capteurs (10) accélérométriques, placés chacun dans un des quatre passages de roue du véhicule et associés chacun à un module (13) de détermination de l'état de la chaussée et à un module (15) de calcul de l'adhérence maximale, et des moyens de fusion des quatre coefficients d'adhérence maximaux calculés pour les quatre roues, qui délivrent un coefficient global d'adhérence pour le véhicule. 14. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 10 ou 13, caractérisé en ce que le capteur accélérométrique comporte une masse se déplaçant entre un ressort et un élément piézo- électrique liés par leurs deux autres extrémités au passage de roue en mouvement, et en ce qu'il est fixé magnétiquement à une pastille métallique, collée sur la face intérieure du passage de roue. 15. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes 10 à 14, caractérisé en ce que dans le cas où les roues provoquant les projections d'eau sur les passages de roues sont sous couple, il comprend de plus un capteur (21) de mesure du couple de roue dont l'information délivrée est prise en compte lors de l'évaluation de l'état de la chaussée et du calcul de l'adhérence maximale. 16. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un capteur (17) d'humidité ambiante et un capteur (22) de température extérieure délivrant des informations au module (13) d'estimation de l'état de la chaussée. 17. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 16, caractérisé en ce qu'il est couplé à un second estimateur (150) de l'adhérence à partir de la mesure des vitesses de roues et de la mesure du couple et de l'angle volant, délivrant un niveau d'adhérence en toute situation qui est fusionné, dans des moyens (20), à l'adhérence maximale calculée.