Brevet FR2822253A1 — publié le 20020920

Dispositif de commande à retour d'effort pour véhicule automobile L'invention concerne un dispositif de commande à retour d'effort pour véhicule automobile, du type comprenant un organe mobile, tel qu'un levier, une pédale ou un arbre rotatif, qui est déplaçable entre au moins deux positions par application d'un effort de commande. Dans la technique actuelle, les organes de commande d'un véhicule automobile, tels que le levier de changement de vitesses, la colonne de direction, les pédales d'accélérateur, de frein et d'embrayage, sont reliés par des moyens mécaniques à des éléments qui sont déplacés conformément aux efforts appliqués par le conducteur à ces organes de commande. Les résistances au déplacement de ces éléments et de leurs moyens d'actionnement se traduisent par des retours d'efforts sur les organes de commande, qui sont ressentis et interprétés par le conducteur comme des réponses à ses actions et qui lui permettent de moduler les efforts qu'il applique aux organes de commande. La tendance actuelle est toutefois de supprimer les liaisons mécaniques entre les organes de commande et les éléments actionnés par ces organes, pour les remplacer par des systèmes électriques comprenant des capteurs de position associés aux organes de commande et qui envoient des signaux de position de ces organes à un calculateur qui élabore des signaux de commande transmis à des actionneurs. Dans ces systèmes électriques, aucun retour d'effort n'est appliqué aux organes de commande manoeuvrés par le conducteur, et cette absence de réponse peut surprendre et déconcerter le conducteur et même l'amener à faire une fausse manoeuvre, par exemple en répétant sa commande alors que cela n'est pas utile. Même si l'organe de commande est associé à un ressort de rappel, ce qui est le cas des pédales, mais pas du levier de vitesses ou de la colonne de direction, l'action du ressort de rappel sur l'organe de commande, qui est à peu près constante et indépendante de la façon dont l'organe de commande est manoeuvré par le conducteur, ne peut compenser l'absence de retour d'effort et fournir au conducteur la sensation d'une réponse de la part du système de commande qu'il vient d'actionner. La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et peu coûteuse à ce problème. Elle propose à cet effet un dispositif de commande à retour d'effort pour véhicule automobile, comprenant un organe mobile déplaçable par application d'un effort de commande entre au moins deux positions, et au moins un capteur fournissant un signal de position de l'organe mobile à un calculateur, caractérisé en ce qu'il comprend également au moins un actionneur commandé par le calculateur et agissant sur l'organe mobile pour lui appliquer une force résistante dont le sens et l'amplitude instantanée sont déterminés en fonction de la position de l'organe mobile, cet actionneur comprenant un empilement de bobines électroconductrices plates qui sont disposées entre des éléments plats appliquant aux bobines un champ magnétique perpendiculaire à leur plan et qui sont mobiles dans une direction déterminée de leur plan, des moyens de liaison électrique desdites bobines à des moyens d'alimentation en courant et des moyens de liaison mécanique desdites bobines à l'organe mobile précité. Dans ce dispositif, l'effort résistant qui est appliqué par l'actionneur à l'organe mobile déplacé par le conducteur est déterminé par le calculateur en fonction du déplacement de l'organe mobile, par exemple au moyen de tables ou de courbes courseeffort préenregistrées dans le calculateur. L'effort résistant appliqué à l'organe mobile varie donc de façon prédéterminée en fonction du déplacement de cet organe mobile et est commandé de façon simple par l'intensité du courant circulant dans les bobines mobiles de l'actionneur. Des avantages intrinsèques de cet actionneur sont sa modularité, son faible encombrement, sa faible consommation en courant et son temps de réponse très court. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins un capteur de force est associé à l'organe mobile pour transmettre au calculateur un signal représentant la valeur instantanée de la force résistante appliquée à cet organe. Cette valeur instantanée de force résistante est prise en compte par le calculateur dans l'élaboration du signal de commande de l'actionneur, pour l'asservissement de cet actionneur au retour d'effort réellement appliqué à l'organe mobile. Avantageusement, un capteur de position est également associé aux bobines mobiles précitées pour transmettre aux calculateurs un signal de position d'actionneur, ce qui permet d'asservir la commande de l'actionneur à la position réelle de sa partie mobile. Selon un développement avantageux de l'invention, une valeur de consigne de la force résistante appliquée par l'actionneur à l'organe mobile est déterminée, par exemple par interpolation linéaire, à partir d'informations de position instantanée et de vitesse instantanée de l'organe mobile, au moyen d'une fonction d'asservissement qui permet également de stabiliser la position de l'organe mobile quand aucun effort de commande ne lui est appliqué par le conducteur pour le déplacer entre deux positions. Dans un mode de réalisation de l'invention, ce dispositif comprend au moins deux pédales montées pivotantes au voisinage l'une de l'autre autour d'axes transversaux parallèles et les actionneurs associés à ces pédales sont formés par un seul empilement de bobines et d'éléments plats précités, de sorte qu'une partie de l'actionneur peut agir sur une des pédales et l'autre partie de l'actionneur sur l'autre pédale. Dans un développement de ce mode de réalisation, les pédales sont montées sur un support commun qui est guidé en translation longitudinale et qui est déplaçable par un actionneur à bobines mobiles du type précité entre deux positions extrêmes, pour l'adaptation de la position des pédales dans le véhicule à la morphologie du conducteur et à sa position de conduite. Dans ce cas, l'alimentation en courant de cet actionneur est commandée par un curseur ou autre moyen analogue de réglage de position longitudinale du pédalier. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'organe mobile est un levier tel qu'un levier de changement de vitesses, déplaçable dans une direction ou dans deux directions perpendiculaires, et le dispositif comprend deux actionneurs précités dont l'un agit sur le levier dans une première direction et l'autre dans la seconde direction. Ce dispositif est utilisable aussi bien avec une boîte de vitesses mécanique qu'avec une boîte de vitesses automatique ou robotisée et il suffit d'adjoindre au levier précité une grille de vitesses correspondant à la boîte de vitesses utilisée. Dans une autre application de l'invention, l'organe mobile est un arbre guidé en rotation autour de son axe, tel qu'un arbre ou une colonne de direction, et l'actionneur qui est associé à cet arbre est commandé pour simuler le retour d'effort d'un circuit hydraulique de direction assistée. Dans encore une autre application, l'organe mobile est un levier de frein à main. Dans ce cas, la commande de l'actionneur peut être déterminée pour simuler un profil de retour d'effort en dents de scie, reproduisant les déclics d'un système mécanique classique de frein à main. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif selon l'invention, pour la simulation d'un retour d'effort sur un levier de changement de vitesses ; - la figure 2 est une vue schématique de dessus de l'actionneur du dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique de côté d'une partie de cet actionneur ; - la figure 4 représente schématiquement une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, pour un pédalier de véhicule automobile. Le dispositif représenté schématiquement en figure 1 est destiné à équiper un levier de changement de vitesse dans un véhicule automobile, ce levier 10 étant déplaçable par le conducteur du véhicule dans deux directions perpendiculaires pour la sélection et l'engagement des vitesses. Le dispositif de simulation de retour d'effort sur le levier 10 comprend deux capteurs de position Pl, P2 délivrant des signaux qui représentent la position du levier sur sa première direction de déplacement et sur sa seconde direction de déplacement, et deux capteurs de force Fl et F2 délivrant des signaux représentant les forces résistantes qui sont appliquées au levier 10 lors de ses déplacements dans sa première direction et dans sa seconde direction respectivement. Les signaux de sortie des capteurs Pl, P2, Fl et F2 sont appliqués à des entrées d'un calculateur 12 de simulation de retour d'effort qui élabore des signaux de commande Cl, C2 appliqués à des actionneurs Al, A2 en fonction des signaux fournis par les capteurs Pl, Fl, P2, F2 et des informations fournies par le calculateur de bord du véhicule, désigné par la référence 14. En fonction des signaux de commande Cl, C2, les actionneurs Al, A2 appliquent au levier 10 des forces dans sa première et dans sa seconde direction de déplacement respectivement, ces forces étant ressenties par le conducteur comme une résistance aux efforts qu'il applique lui-même au levier 10 pour le déplacer dans sa première et dans sa seconde direction respectivement. Des capteurs de position PAl, PA2 sont associés aux actionneurs Al et A2 pour fournir au calculateur 12 des signaux représentant les positions des éléments mobiles de ces actionneurs qui agissent sur le levier 10. Les actionneurs Al, A2 sont du type représenté aux figures 2 et 3 et comprennent un empilement de bobines électro-conductrices plates 16 disposées entre des paires de plaquettes magnétiques 18,20 qui génèrent une induction magnétique perpendiculaire au plan des bobines 16 de telle sorte que, quand un courant électrique passe dans ces bobines, celles-ci sont soumises à une force perpendiculaire à l'induction magnétique et au sens de passage du courant, comme indiqué par la flèche F en figure 3. Plus précisément, chaque bobine 16 de forme oblongue comprend deux branches parallèles 22 dans lesquelles le courant électrique circule dans le sens indiqué par les flèches quand la bobine 16 est reliée aux bornes d'une source de courant continu 24 et chaque bobine est guidée en translation parallèlement à la flèche F. Les plaquettes magnétiques 18,20 disposées en face et le long des branches parallèles 22 d'une bobine 16 sont des aimants permanents dont les champs sont orientés perpendiculairement aux plans des bobines 16 dans des directions opposées, toutes les plaquettes 18 ayant la même orientation et toutes les plaquettes 20 ayant une même orientation contraire à celle des plaquettes 18, comme indiqué par les polarités N et S des faces visibles des plaquettes 18 et 20 en figure 3. Les aimants 18,20 sont par exemple en samarium-cobalt et ont une induction rémanente d'environ 1 Tesla. Le circuit magnétique formé par l'ensemble des plaquettes 18 et 20 est fermé, aux extrémités de l'empilement des bobines 16, par des plaques de fer doux 26 qui recouvrent et relient les plaquettes 18, 20 se trouvant aux extrémités de l'empilement. Typiquement, un actionneur du type représenté comprenant une dizaine de bobines mobiles a une longueur axiale d'environ 15 cm. Dans chaque actionneur Al, A2, le nombre de bobines 16 et l'intensité maximum du courant que l'on fait passer dans ces bobines sont déterminés en fonction de l'effort maximum que l'on doit appliquer au levier 10 dans une direction et dans l'autre. Dans chaque actionneur, les bobines 16 sont reliées électriquement à une même source de courant continu 24, comme représenté schématiquement en figure 2, et sont reliées mécaniquement entre elles et au levier 10 par une tringlerie 28 leur permettant d'appliquer à ce levier une force F dont l'amplitude est déterminée par l'intensité du courant circulant dans les bobines et dont le sens est déterminé par le sens de passage du courant dans les bobines. De préférence, les actionneurs Al et A2 sont constitués par un même empilement de bobines 16, dans lequel un premier groupe de bobines constitue un premier actionneur et est relié au levier 10 de façon à agir sur lui dans une direction déterminée, et un second groupe de bobines constitue l'autre actionneur et est relié au levier 10 pour agir sur lui dans une seconde direction perpendiculaire à la première direction, ces deux groupes de bobines étant de préférence alimentés électriquement de façon indépendante l'un de l'autre sous commande du calculateur 12. En enregistrant dans ce dernier ou dans le calculateur de bord 14 des tables de valeurs correspondant à des courbes course-effort, on peut déterminer pour chaque position du levier des valeurs instantanées des retours d'effort à lui appliquer au moyen des actionneurs Al et A2 dans ces deux directions de déplacement. Les capteurs de force Fl et F2 mesurent les efforts appliqués au levier 10 par les actionneurs Al et A2 et renvoient ces informations au calculateur 12 pour un asservissement du retour d'effort. Le dispositif des figures 1 à 3, qui simule un retour d'effort sur un levier déplaçable dans deux directions perpendiculaires, est destiné en particulier à être monté sur un véhicule équipé d'une boîte de vitesses mécanique. Il peut également être monté sur un véhicule ayant une boîte de vitesses automatique ou robotisée à laquelle est associé un levier déplaçable dans une seule direction. La grille de vitesses qui est associée au levier et qui sert à délimiter ses déplacements est adaptée au type de boîte de vitesses à commander. On peut donc utiliser, pour les véhicules à boîte de vitesses mécanique et ceux à boîte de vitesses automatique ou robotisée, les mêmes dispositifs de simulation et les mêmes leviers de changement de vitesse, seules les grilles de guidage des leviers étant différenciées. L'invention est applicable à d'autres organes de commande qu'un levier de changement de vitesse, par exemple à une colonne de direction dans un véhicule à direction assistée. Dans ce cas, un actionneur de simulation de retour d'effort est associé à la colonne de direction et lui est relié par des moyens transformant le mouvement de translation des bobines 16 en un couple de rotation. L'invention est également applicable aux pédales de commande de l'accélérateur, des freins et éventuellement de l'embrayage. Chaque pédale 30, par exemple une pédale d'accélérateur et une pédale de frein, comme représenté schématiquement en figure 4, est associée à un actionneur Al, A2 respectivement qui exerce sur la pédale 30 une force tendant à la faire pivoter autour de son axe d'articulation à l'encontre de la force exercée sur cette pédale par le conducteur. Des capteurs de position Pl, P2 et des capteurs d'effort Fl, F2 associés à ces pédales transmettent des signaux de sortie correspondants au calculateur 12. Des capteurs de position PA1 et PA2 associés aux moyens de liaison entre les actionneurs Al, Al et les pédales 30 transmettent des signaux correspondants de position au calculateur 12. Celui-ci, en fonction de tables de valeurs course-effort préenregistrées, élabore les signaux de commande Cl, C2 qui sont appliqués aux actionneurs Al, A2 pour déterminer la valeur instantanée et le sens des efforts appliqués par les actionneurs aux pédales 30. De plus, les pédales 30 au nombre de deux ou trois peuvent être portées par un support commun 32 dont la position longitudinale à l'intérieur du véhicule est réglable pour être adaptable à la morphologie et à la position de conduite du conducteur. Ce réglage évite notamment qu'un conducteur de petite taille puisse être coincé en cas de choc entre le coussin gonflable du volant et un coussin gonflable latéral. La position longitudinale du support 32 est réglée au moyen d'un actionneur A3 du même type que les précédents qui reçoit du calculateur 12 un signal de commande C3 pour déplacer le support 32 en translation longitudinale conformément à un ordre donné par le conducteur au moyen d'un organe de commande 34 à curseur, à bouton rotatif, à bouton poussoir, etc. Un capteur de position P3 est associé à l'élément de sortie de l'actionneur A3 ou au support 32 pour envoyer au calculateur 12 un signal représentant la position de ce support. Le signal de commande C3 est élaboré par le calculateur 12 à partir de tables préenregistrées de correspondance entre les signaux appliqués par l'organe de commande 34 et ceux reçus du capteur de position P3. La position du support commun 32 définie par le conducteur peut être mémorisée dans le calculateur 12 de façon à ce que le réglage de position longitudinale du support des pédales puisse être effectué automatiquement, si nécessaire, lorsque le conducteur s'installe à bord du véhicule. En outre, le temps de réponse très court de l'actionneur A3 permet, en cas de choc, de déplacer le pédalier vers l'avant pour protéger le conducteur. L'invention est également applicable à la simulation d'un retour d'effort sur un levier de frein à main. Avantageusement, dans ce cas, on génère un retour d'effort à profil en dents de scie, pour simuler les déclics habituels d'un levier de frein à main classique du type mécanique. Dans toutes ces applications, il est avantageux que la commande du ou des actionneurs soit réalisée de la façon suivante : on part d'une cartographie tridimensionnelle de l'ensemble des déplacements du levier, cette cartographie étant définie par des coordonnées de position, de vitesse et d'effort et se présentant sous forme d'un ensemble de mailles ou de facettes par exemple planes pour chacune desquelles on peut calculer une valeur de consigne F d'une force qui doit être générée par l'actionneur, par une relation du type F = A (x, v). x + B (x, v) + C (x, v). v, où x et v sont la position et la vitesse, et A, B, et C sont des constantes calculées à partir des coordonnées de trois points de la maille ou facette plane. En pratique, pour obtenir les mailles ou facettes planes de la cartographie, on remplace les valeurs de x et v codées sur 10 ou sur 12 bits par exemple, par x* et v* codées sur 5 ou sur 8 bits par exemple, que l'on obtient en tronquant les bits de poids faible de x et v. Pour chaque couple (x*, v*), on calcule l'équation du plan de la maille ou facette correspondante, qui est défini par trois coefficients A, B, C. On enregistre en mémoire la cartographie ainsi obtenue et le tableau des valeurs A, B, C pour les différentes mailles ou facettes de la cartographie. En fonctionnement, on mesure x et v, v étant obtenu par dérivation de x, on tronque les bits de poids faible pour obtenir x* et v*, on trouve dans le tableau les valeurs de A, B, C correspondant à x* et v*, et on calcule F par interpolation linéaire à partir de x, v réels et des valeurs trouvées de A, B, C. En variante, on peut décomposer la cartographie en mailles ou facettes non planes. Le dispositif représenté dans les dessins permet d'asservir la réponse de l'actionneur aux conditions réelles. Cet asservissement permet également de stabiliser la position du levier quand aucun effort ne lui est appliqué par le conducteur. Dans certains cas, lorsque le système est stable naturellement, par exemple en raison de frottements, on peut travailler en boucle ouverte, donc sans asservissement, et supprimer les capteurs d'effort Fl et F2 dans les circuits représentés. Par ailleurs, il est avantageux de prévoir dans la programmation du calculateur des sécurités destinées à empêcher que l'actionneur continue d'exercer un effort sur l'organe mobile quand celuici est en fin de course ou est coincé entre deux positions extrêmes. On peut pour cela limiter la course sur laquelle l'actionneur déplace l'organe mobile à, par exemple, 90 % de la course totale possible définie par des butées mécaniques. Ainsi, quand l'organe mobile est au voisinage de sa butée de fin de course, l'actionneur n'est plus alimenté même si le conducteur exerce encore un effort de commande sur l'organe mobile. On évite ainsi de détériorer ou de casser les moyens commandés par l'organe mobile. De même, pour éviter des détériorations lors d'un coincement ou d'un blocage de l'organe mobile en un point quelconque de sa course, on détermine la durée de sa course maximale pour une vitesse minimale de déplacement et on coupe automatiquement l'alimentation de l'actionneur à la fin de cette durée. REVENDICATIONS 1-Dispositif de commande à retour d'effort pour véhicule automobile, comprenant un organe mobile (10, 30) déplaçable par application d'un effort de commande entre au moins deux positions, et au moins un capteur (pol, P2) fournissant un signal de position de l'organe mobile à un calculateur (12), caractérisé en ce qu'il comprend également au moins un actionneur (Al, A2) commandé par le calculateur et agissant sur l'organe mobile (10, 30) pour lui appliquer une force résistante dont le sens et l'amplitude instantanée sont déterminés en fonction au moins de la position de l'organe mobile, ledit actionneur (Al, A2) comprenant un empilement de bobines électroconductrices plates (16) qui sont disposées entre des éléments plats (18,20) appliquant aux bobines une induction magnétique perpendiculaire à leur plan, des moyens de liaison électrique desdites bobines à des moyens (24) d'alimentation en courant et des moyens (28) de liaison mécanique desdites bobines à l'organe mobile (10, 30) précité. 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un capteur de force (FI, F2) est associé à l'organe mobile pour transmettre au calculateur un signal représentant la valeur instantanée de la force résistante appliquée à cet organe. 3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un capteur de position (PA1, PA2) est associé auxdits actionneurs pour transmettre aux calculateurs (12) un signal de position d'actionneur. 4-Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une valeur de consigne de la force résistante appliquée par l'actionneur à l'organe mobile (10, 30) est déterminée par interpolation linéaire à partir d'informations de position et de vitesse instantanées de l'organe mobile. 5-Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la force résistante précitée est déterminée par une fonction d'asservissement ou en boucle ouverte qui permet de stabiliser la position de l'organe mobile quand aucun effort de commande ne lui est appliqué pour le déplacer entre deux positions. 6-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le calculateur est programmé pour couper l'alimentation de l'actionneur (Al, A2) quand l'organe mobile (10, 30) arrive au voisinage d'une butée de fin de course ou quand l'organe mobile est coincé ou bloqué en un point quelconque de sa course. 7-Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe mobile est un levier (10) ou une pédale (30) monté pivotant autour d'un axe. 8-Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens (28) de liaison mécanique comprennent des moyens de transformation d'un mouvement de translation en un mouvement de rotation. 9-Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux pédales (30) montées pivotantes au voisinage l'une de l'autre autour d'axes parallèles et en ce que les actionneurs (Al, A2) associés à ces pédales sont formés par un seul empilement de bobines (16) et d'éléments plats (18,20) précités. 10-Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les pédales (30) sont montées sur un support commun (32) déplaçable en translation longitudinale par un actionneur (A3) à bobines mobiles du type précité pour adapter la position des pédales dans le véhicule à la morphologie du conducteur et à sa position de conduite. 11-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'organe mobile étant un levier (10), le dispositif comprend deux actionneurs précités (Al, A2) dont l'un agit sur le levier dans une première direction et dont l'autre agit sur le levier dans une seconde direction perpendiculaire à la première. 12-Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est utilisable avec une boîte de vitesses mécanique ou avec une boîte de vitesses automatique ou robotisée par association d'une grille de vitesse correspondante au levier (10) précité. 13-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe mobile est un arbre guidé en rotation autour de son axe, tel qu'une colonne de direction par exemple, et en ce que l'actionneur associé à cet arbre est commandé pour simuler le retour d'effort d'un circuit hydraulique de direction assistée.