Brevet FR2841336A1 — publié le 20031226

pression. La presente invention se rapporte a l' evaluation de ['adherence d'un vehicule sur une chaussee. Wile concerne plus particulierement la determination de caracteristiques d'adherence entre la chaussee et une roue de vehicule, equipee d'un bandage elastique s tel qu'un pneu gonfle ou un bandage elastique non pneumatique qui roule sur la chaussee. La presente invention concerne aussi les divers dispositifs d' assistance electronique utilises par exemple pour la regulation antiblocage des freins d'un vehicule ou la 0 regulation anti-patinage des roues motrices, le controle de trajectoire d'un vehicule ou encore pour d'autres formes de controle ou de surveillance comme la pression des pneus. On salt que de tels dispositifs reconstruisent par calcul le coefficient d' adherence () des pneus sur la chaussee, sans avoir procede a la moindre mesure ni du coefficient d' adherence ni des efforts developpes dans le contact des pneus au sol. Meme si ces dispositifs apportent une assistance remarquable et un surcroit de securite, leur fonctionnement gagnerait beaucoup a utiliser une valeur mesuree, ou estimee a partir de mesures reelles effectuees sur le pneu en fonctionnement. C'est pourquoi l'objectif de la presente invention est de proposer une evaluation de ['adherence d'un vehicule sur une chaussee, plus precisement de ses roues ou pneus ou bandages elastiques, termes consideres comme equivalents dans le contexte de la presente invention. Wile concerne plus particulierement la determination de caracteri stiques d' adherence entre la chaussee et une roue de vehicule, equip ee d'un bandage elastique tel qu'un pneu gonfle ou un bandage elastique non pneu qui roule sur la chaussee. Les divers dispositifs d' assistance electronique evoques ci-dessus profiteraient done utilement d' indications > sur les conditions d'adherence susceptibles d' affecter le comportement d'un vehicule, notamment dans le cas ou il subit une acceleration par effort moteur ou par effort freineur ou par changement de direction de deplacement. L'invention vise a fournir une methode d'y parvenir de maniere effcace. Pl0-1461 FR Dans ce qui suit, on entend par > le rapport enke ['effort tangential maximal (transversal ou longitudinal ou les deux combines) et ['effort normal que la roue peut subir. Dans le texte, on le designe aussi par le terme > ou la lettre,u. On entend par > les kois composantes de forces Fx, Fy et Fz appliquees au centre de la roue et le couple d'auto-alignement N autour de l'axe Z. Dans le but d'estimer le potentiel d'adherence maximum, il a ete propose d'equiper la o bande de roulement d'un pneu, ou certains elements de la bande de roulement specialement adaptes, de capteurs destines a mesurer ou a estimer les efforts generes localement, en particulier en conditions de glissement. Ces approches, quoique fort prometteuses, presentent neanmoins certaines difficultes intrinseques. II est en effet difficile de garantir le bon fonctionnement d'un capteur dans cette zone du pneu, en particulier avec 1'usure de la bande de roulement, pendant toute la vie du pneu. De plus, les estimations fournies par ces capteurs vent tres locales et sensibles a l'etat de surface de la chaussee. Or comme on cherche en fait a estimer le potentiel d'adherence maximum de la roue, il faut encore le determiner a partir du potentiel local mesure. L'invention detaillee ici se distingue de ces approches locales. Wile propose d'utiliser une me sure des contrainte s genere e s par le s deformations glob al e s du pneu de mani ere a obtenir une information sur le potentiel d'adherence maximum de la roue sur le sol. En effet, lorsque le pneu est soumis a une sollicitation, le point d' application des forces appliquees dans l'aire de contact depend entre auke du coefficient d' adherence maxi parce que, des qu'une partie de l'aire de contact de la roue sur la chaussee est en glissement, sa contribution aux efforts tangentiels est saturee a un niveau qui depend du coefficient d' adherence. Les deformations du pneu vent elles memes sensibles au deplacement de ce point d' application. En particulier, ces deformations creent des contraintes dans le bourrelet. Ces contraintes, sensibles aux efforts appliques, vent aussi sensibles au deplacement du point d'application des forces dans l'aire de contact. Pl0-i461 FR La methode proposee utilise des mesures des contraintes dans le ou les bourrelets en certains azimuts du pneu pour permettre une estimation du coefficient d' adherence maxi. Pour fournir une bonne estimation de,u, la methode necessite qu'il existe une zone de glissement dans l'aire de contact, qu'elle soit creee par une conception speciale du pneu ou par un niveau suffisant de sollicitation applique au pneu. De maniere a obtenir une information fiable meme en cas de faible glissement, ['invention propose d'estimer, en io plus du potentiel d'adherence maximal, le pourcentage de potentiel utilise. Cette grandeur presente en effet l'avantage d'etre plus facilement estimee en valeur absolue meme pour des sollicitations faibles. La methode selon ['invention, pour la determination du coefficient d'adherence dans l'aire de contact d'un pneu sur une chaussee, comporte les etapes suivantes: selectionner plusieurs points fixes dans l ' espace (c ' est a dire fixes dans le repere lie au vehicule), situes a des azimuts differents le long de la circonference dans au moins un bourrelet du pneu, effectuer autant de mesures de variation de contrainte a ces points fixes lorsque le pneu roule sur la chaussee, traiter les signaux de mesure de facon a en extraire ledit coefficient d' adherence. Avantageusement, ledit coefficient d'adherence,u est deduit d' au moins 5 mesures de contraintes effectuees dans au moins un bourrelet du pneu, en 5 points fixes dans 2s l'espace (c'est a dire fixes dans le repere lie au vehicule), situes a des azimuts differents le long de la circonference. La methode de ['invention est basee sur la constatation du fait que les efforts agissant entre la bande de roulement du pneu et la chaussee provoquent une deformation des flancs des pneus qui vent la cause de ['apparition de contraintes sensibles et reproductibles dans le bourrelet. Ces contraintes, si l'on parvient a les mesurer isolement lors de la rotation du pneu en temps reel, peuvent permettre de connatre a Pl0-1461 FR _ - 4 chaque instant le sens et l'intensite des efforts agissant sur le pneu ainsi que le signe et l'intensite du couple d'auto-alignement exerce par le pneu et le coefficient d'adherence du pneu sur la chaussee. s Sous un aspect particulier mais interessant, ['invention propose d'estimer la contrainte de cisaillement dans la direction circonferentielle. La suite de la description explique plus en details ['invention a ['aide des figures jointes dans lesquelles: o la figure 1 est une perspective d'un pneu sur lequel on definit des conventions utiles a ['intelligence de ['invention; la figure 2 est une vue de face d'un pneu schematique permettant d'expliquer ['invention; la figure 3 est une vue de cote d'un pneu schematique permettant d'expliquer s ['invention; la figure 4 illuske le cisaillement d'une nervure dans l'aire de contact, ainsi que les contraintes associees; la figure 5 illustre l'effet du coefficient de frottement sur la repartition des efforts; la figure 6 est un bloc diagramme de ['estimation de 11 a partir des mesures de o deformation; les figures 7, 8 et 9 illustrent un type de capteur utilisable pour mesurer les contraintes de cisaillement et son implantation proposee dans le bourrelet; la figure 10 illustre une architecture du type reseau de neurones utilisable pour estimer 11; s la figure 11 donne les resultats de ['estimation de 1l et du pourcentage du potentiel d'adherence utilise. La methode decrite ici s'appaie sur le fait que chaque force appliquee au pneu dans l'aire de contact provoque une deformation des flancs du pneu qui se repercute dans le bourrelet sous forme d'une contrainte de cisaillement. Considerons le cas d'un pneu monte sur sa roue et gonfle dans le premier bourrelet duquel on mesure la contrainte de cisaillement dans la direction circonferentielle. En ['absence de forces appliquees sur le PiO-i461 FR - 5 pneu, la contrainte mesuree est constante en fonction de ['angle de rotation de ['ensemble monte. Lorsque le pneu est soumis a des forces, on observe les effete suivants pour chacune des composantes desdites forces: La composante verticale (denommee Fz) plaque le pneu sur le sol. En creant une aire de contact, elle entraine un deplacement de la roue par rapport au centre de la ceinture du pneu. I1 en resulte une deradialisation qui se traduit par une variation des contraintes de cisaillement dans le bourrelet. Celui-ci est cisaille dans un sens avant lo l'aire de contact et dans l'autre sens apres l'aire de contact. La composante horizontale dans la direction de roulage (denommee Fx) provoque une legere rotation de la roue par rapport a la ceinture du pneumatique. I1 en resulte un cisaillement quasi uniforme en azimut dans un sens ou dans l'autre. Le sens du cisaillement ajoute indique la nature moteur ou freineur de ['effort applique. 5. La composante horizontale dans la direction transverse (denommee Fy) provoque principalement une differenciation des deux bourrelets. Dans le cas d'une sollicitation par Fy, l'un des flancs est principalement mis en extension. La deradialisation evolue et il en resulte une repartition differente des cisaillements dans le bourrelet. L'autre flanc est mis en contraction et l'effet inverse a lieu dans le bourrelet. Le couple d'autoalignement N (moment autour de l'axe vertical) n'est pas a proprement parler un autre effort agissant entre la bande de roulement du pneu et la chaussee. I1 s'agit plutot d'une consequence de la facon dont les composantes Fx, Fy et 2s Fz vent appliquees dans l ' aire de contact. Si le point d' application de la resultante ayant pour composantes Fx, Fy et Fz n'est pas le centre de l'aire de contact, cette resultante genere un moment autour de Oz que l'on appelle couple d'auto-alignement. La presence de ce moment se traduit principalement par une rotation de l'aire de contact autour de Oz. Cet effet a pour consequence d'induire un cisaillement dans un sens sur le premier flanc et dans l'autre sens sur le second flanc, a proximite de l'aire de contact. Pl0-1461 FR - 6 Lorsque qu'une sollicitation qui mele des composantes Fx, Fy et Fz est appliquee, on observe une superposition des effete enonces precedemment sur la contrainte de cisaillement dans la direction circonferentielle. Un des avantages de la methode proposee est de permettre une separation des contributions de chaque composante de la s soll i citati on appliquee, de maniere a permettre une estimation de chacune de c es composantes. Definissons l'azimut comme ['angle auquel on analyse la contrainte de cisaillement dans le bourrelet. L'origine de l'azimut est prise a ['oppose du centre de l'aire de 0 contact. Le centre de l'aire de contact a done l'azimut 180 . L'invention repose sur la remarque suivante: Considerons un pneu simplifie muni d'une nervure unique continue. Les figures 2 et 3 representent un tel pneu. Dans la zone de l'aire de contact, la nervure est soumise a une contrainte verticale qui la plaque contre le sol. On parle souvent de mise a plat, dans l'empreinte du pneu sur le sol. En ['absence de derive du pneu, une droite formee par des points de repere pris sur la nervure de fa,con a ce qu'ils soient alignes dans l'empreinte de contact avec le sol vent en-quite, lors de la rotation du pneu, compris dans un plan qui contient ladite droite definie lorsque les points etaient dans l'empreinte de contact. Si l'on applique un angle o de derive au pneu en roulage, le plan contenant lesdits points de repere lorsqu'ils vent suffisamment eloignes de l'empreinte de contact au sol forme un angle egal a ['angle de derive avec les points de repere lorsqu'ils vent alignes dans l'empreinte de contact avec le sol. Sur la figure 4, on peut observer en- trait plein la nervure vu de dessus sans derive et en pointilles la nervure avec une derive imposee. Plus on s'enfonce dans l'aire de s contact, plus la nervure est cisaillee et plus la contrainte laterale qui s'applique est grande. Si ['angle de derive est suffisant, il existe dans l'aire de contact un point Gi ou cette contrainte laterale devient superieure au potentiel d'adherence maximum u, la nervure se met a glisser. Cette situation est representee en trait mixte sur la figure 4. La force laterale Fy' generee par le pneu est egale a l'integrale dans l'aire de contact de la contrainte laterale. Pl0-1461 FR Si le pneu roule sur une surface ou le potentiel d' adherence maxi 112 est plus faible que u, il est necessaire d'augmenter ['angle de derive pour que le pneu genere la meme force de poussee Fy. La zone de glissement commence desormais au point G2 plus proche de ['entree de l'aire de contact. La figure 5 permet de comparer les deux s situations. Entre ces deux configurations, les efforts lateraux vent les memes (meme aire sous la courbe) mais le point d'application de la force Fy s'est deplace. Plus le potentiel d'adherence maxi diminue, c'est a dire plus le coefficient d'adherence diminue, plus le 0 point d'application de la force laterale se deplace vers ['entree de l'aire de contact. Une consequence est que pour le meme effort lateral Fy, le couple d'autoalignement N a une valeur differente. Entre les deux situations, les contraintes associees a Fy vent identiques mais celles liees a N different en raison d'un deplacement du point d'application de la force. On va exploiter ces differences de contraintes dans le bourrelet pour estimer le coefficient d'adherence maxi. Comme on vient de le voir, il serait possible d'estimer Fx,Fy,Fz et N puis,u. Toutefois, pour disposer d'autant d'informations que possible pour estimer le coefficient d' adherence sur [' ensemble du domaine de sollicitation, on estime directement a partir des mesures de deformation realisees sur le pneu, sans passer par une estimation des efforts a partir desquels on rechercherait ensuite a estimer,u (figure 6). Physiquement, ['evaluation du potentiel maxi d'a&erence utilise le positionnement du s point d'application des forces Fx et Fy. Ce point d'application se deplace dans l'aire de contact en fonction du potentiel d'a&erence, en provoquant une modification des contraintes dans le bourrelet. La mesure des contraintes de cisaillement dans le bourrelet en plusieurs azimuts permet d'obtenir directement une estimation du coefficient d'a&erence maxi, en procedant a un traitement du signal approprie, cornme on va l'expliquer en details. Pl0-146! FR - 8 La mesure de la contrainte de cisaillement dans le bourrelet 1 d'un cote ou des deux cBtes du pneumatique peut se faire de n'importe queue maniere, par un dispositif externe ou un dispositif interne au pneu. A tike d'exemple, on decrit ici pour realiser la mesure de la contrainte de cisaillement circonferentiel dans le bourrelet 1 l'utilisation d'un ou de capteurs 3 places dans le pneu dans une zone 2 d'ancrage de la carcasse, et vent done entranes en rotation par le pneu. Ce ou ces capteurs 3 integres au pneu et mesurant localement la contrainte de cisaillement circonferentiel du ou des bourrelets peuvent faire appel a n'importe quel lO principe physique de mesure. Il peut par exemple s'agir d'un corps d'epreuve 30 equipe de jauges de contraintes 31, par exemple resistives. Une deformation du corps d'epreuve se traduit par une modification de la resistance des jauges de contraintes 31 collees a sa surface (figures 7, 8 et 9). Les deux jauges 31 placees de part et d'autre du corps d'epreuve 30 fournissent alors par l'intermediaire d'un pont de Wheatstone un signal fortement lie a la contrainte de cisaillement. S'il est actif, le capteur 3 peut etre alimente so it par le vehicule par telealimentation so it par une batterie emb arquee sur la roue ou dans le pneu ou par tout autre moyen. Tout est aussi possible en ce qui concerne la transmission de ['information vers le vehicule, par vole radio ou autre. Le capteur 3 en lui meme doit pouvoir fournir une information en continu ou avec une frequence de rafrachissement suffisamment rapide par rapport a la periode de rotation de la roue. Cette approche utilisant un capteur 3 integre au pneu a l'avantage de permettre une connaissance de la contrainte de cisaillement dans le bourrelet d'un cote ou des deux cotes, a tous les azimuts du pneumatique paisque un capteur 3, entrame par le pneu, s explore ['ensemble des azimuts lors d'une rotation de la roue. De maniere a capturer convenablement les evolutions de la contrainte de cisaillement circonferentiel, les mesures doivent etre realisees en des azimuts bien choisis. En particulier et a titre d'exemple non limitatif, on peut indiquer les cas suivants: Mesure en trots azimuts sur les deux flancs. Un azimut choisi en entree d'aire de contact (par exemple entre 100 et 150 d'azimut), une mesure a 180 (centre de l'aire de contact) et une mesure en sortie d'aire de contact a l'azimut symetrique de Pl0- 1461 FR celui utilise en entree. Ceci donne un total de six valeurs de contraintes de cisaillement a partir desquelles il est possible d ' estimer le coefficient d' adherence maxi. À Mesure en sept azimuts sur un unique flanc. Les trots premiers vent situes en entree d'aire de contact, le quatrieme a 180 au centre de l'aire de contact et les trots derniers symetriques des trots premiers par rapport au centre de l'aire de contact. Pour etablir la fonction de transfert entre les mesures de contraintes de cisaillement en plusieurs azimuts et le coefficient d' adherence maxi, on peut par exemple utiliser un o reseau de neurones, du type perceptron a une couche cachee, utilise en tent qu'approximateur. La figure 10 schematise ce type de reseau de neurones. Toute autre fonction mathematique permettant ce type d'approximation est bien sur utilisable. Dans le cas ou l'on utilise un reseau de neurones pour realiser la fonction de transfert. is La demarche suivie pour construire la fonction est la suivante: La premiere etape consiste a realiser une base de donnees contenant les valeurs des contraintes de cisaillement aux azimuts choisis (ou toute valeur representative) qui repres enteront l es entrees de la fonction de trans fert, et contenant l es valeurs de,u. I1 est o possible de construire une telle base de donnees soit a ['aide d'une machine de mesure (I'avantage est de pouvoir solliciter le pneu par des forces Fx, Fy, Fz independantes et de faire varier le coefficient d'adherence de maniere bien controlee) soit sur vehicule en utilisant par exemple une roue dynamometrique (pour mesurer les efforts) et en roulant sur differents sols. Dans un second temps, on recherche une fonction de transfert a ['aide de cette base de donnees, 11 etant la sortie de la fonction de transfert. Dans le cas ou on utilise un reseau de neurones, c'est la phase d'apprentissage. so La troisieme etape consiste a verifier que la fonction de transfert obtenue fonctionne correctement dans tout le domaine desire, c' est a dire a verifier qu ' elle est generalisable. Pl0-1461 FR - 10 Dans tous les cas, la methode proposee pour estimer le coefficient d'adherence maxi necessite de solliciter le pneu par des efforts Fx, Fy ou les deux combines. En effet, il est absolument necessaire qutil existe une zone de glissement dans l'aire de contact pour que la demarche presentee s'applique. Grace a cette methode, on est certain d'avoir une estimation de la limite d'adherence avant de l'atteindre. Toutefois, lorsque le pneu est tres peu sollicite, ['estimation est imprecise ou fausse (absence de glissement de l'aire de contact). Pour cette raison, il est propose de stinteresser au pourcentage de potentiel d'adherence utilise defini de la fa,con suivante: p = Uui/ise = FX + Fy pFz L'approche proposee ici consiste a determiner directement le pourcentage Pu a partir des mesures de contraintes de cisaillement. Comme pour la determination de 1l, on peut proceder de la fa,con expliquee dans les paragraphes suivants. La premiere etape consiste a realiser une base de donnees contenant les valeurs des contraintes de cisaillement aux azimuts choisis (ou toute valeur representative) qui representeront les entrees de la fonction de transfert, et contenant Pu (sortie de la fonction de transfert) pour un ensemble de sollicitations. Il est possible de construire une telle base de donnees soit a ['aide d'une machine de mesure (l'avantage est de pouvoir solliciter le pneu par des forces Fx, Fy, Fz independantes et de faire varier le coefficient d' adherence) soit sur vehicule en utilisant par exemple une roue dynamometrique (pour mesurer les efforts) et en roulant sur differents sols. Dans un second temps, on recherche une fonction de transfert a ['aide de cette base de donnees, Pu etant la sortie de la fonction de transfert. Dans le cas ou on utilise un reseau de neurones, c'est la phase d'apprentissage. La troisieme etape consiste a verifier que la fonction de transfert obtenue fonctionne correctement dans tout le domaine desire, c' est a dire a verifier qu' elle est generalisable. Pl0-1461 FR - 11 Le pourcentage propose presente l'interet d'etre plus facilement correctement estime en grandeur absolue queue que so it la so llicitation, meme faible, appl iquee au pneu. On l'obtient de maniere directe par exemple par un reseau de neurones en appliquant la demarche presentee pour ['estimation de u. La figure 11 presente un exemple de s reconstruction du potentiel d' adherence maxi et du pourcentage de potentiel utilise. Le couple moteur ou freineur (glissement lie a Fx) et la force transversale (derive liee a Fy) varient au cours du temps ainsi que le sol sur lequel roule le vehicule. La charge Fz est imposee. Lorsque la sollicitation du pneu est faible (Fx et Fy faibles simultanement) au voisinage de 4 s, la qualite de l' estimation du potentiel d'adherence maxi chute. 0 L' estimation du pourcentage de potentiel utilise reste quant a elle tout a fait correcte. Dans le cadre d'une utilisation par un systeme embarque dans un vehicule (systeme de type ESP ou ABS), il est interessant de disposer d'une grandeur definie sur tout le domaine d'utilisation. I1 est par exemple envisageable d'utiliser le pourcentage de potentiel d'adherence utilise (pu) pour affiner les mecanismes de regulation des systemes ABS ou ESP. Pl0-1461 FR - 12 REVENDICATIONS 1. Methode de determination du coefficient d'adherence u dans l'aire de contact d'un pneu sur une chaussee, dans laquelle on selectionne plusieurs points fixes dans l'espace, situes a des azimuts differents le long de la circonference dans au moins un bourrelet du pneu, on effectue autant de mesures de variation de contrainte a ces points fixes lorsque le pneu roule sur la chaussee et l'on traite les signaux de mesure de fa,con a en extraire ledit coefficient d' adherence 1l. 2. Methode selon la revendication 1, caracterisee en ce que ledit coefficient d' adherence est deduit d' au moins 5 mesures de variation de contrainte de cisaillement effectuees dans au moins un bourrelet du pneu, en 5 points fixes dans l'espace, situes a des azimuts differents le long de la circonference. 3. Methode selon la revendication 1 ou 2, caracterisee en ce que la mesure de la contrainte de cisaillement est effectuee par au moins un capteur integre dans un bourrelet du pneu, le signal delivre par ledit capteur etant traite pour relever sa valeur en plusieurs azimuts correspondent auxdits points fixes. 4. Methode selon la revendication 1 ou 2, caracterisee en ce que la mesure de la contrainte de cisaillement est effectuee par autant de capteurs que d'azimuts a observer, les capteurs etant externes au pneu et disposes dans l'espace fixe. 2s 5. Methode selon l'une des revendications 1 a 4, caracterisee en ce que l'on effectue une mesure en trots azimuts sur chacun des deux flancs, a un azimut choisi en entree d'aire de contact, a 180 et a un azimut choisi en sortie d'aire de contact, azimut symekique de celui utilise en entree. 6. Methode selon l'une des revendications 1 a 5, caracterisee en ce 1'on effectue une mesure en sept azimuts sur un seul flanc, les trots premiers azimuts etant situes en Pl0-1461 FR entree d'aire de contact, le quatrieme a 180 au centre de l'aire de contact et les trots derniers symetriques des trots premiers par rapport au centre de l'aire de contact. 7. Methode selon l'une des revendications I a 6, caracterisee en ce que 1'on etablit une s fonction de transfert entre les mesures et le coefficient d' adherence maxi par les etapes suivantes: realiser une base de donnees contenant les valeurs des contraintes de cisaillement aux azimuts choisis, et les valeurs de,u associees, I'ensemble des valeurs etant relevees experimentalement. o. rechercher une fonction de transfert a ['aide de cette base de donnees, etant la sortie de la fonction de transfert. 8. Methode selon la revendication 7, utilisant un reseau de neurones du type perceptron a une couche cachee, utilise en tent qu'approximateur. 9. Methode selon l'une des revendications 1 a 8, caracterisee en ce que l'on estime la contrainte de cisaillement par la mesure de la flexion d' un corps d' epreuve insere dans le bourrelet. 10. Methode selon l'une des revendications 1 a 8, caracterisee en ce que l'on estime la contrainte de cisaillement par la mesure de la flexion d'un corps d'epreuve a ['aide de jauges de deformation. 11. Methode selon l'une des revendications 1 a 10, caracterisee en ce que l'on determine le pourcentage de potentiel d' adherence utilise defini par Pu = parilise = Y U U.]Tz en procedant de la facon suivante: À realiser une base de donnees contenant les valeurs des contraintes de cisaillement aux azimuts choisis, pour un ensemble de sollicitations du pneu, À rechercher une fonction de transfert a ['aide de eette base de donnees, Pu etant la sortie de la fonction de transfert, les valeurs des contraintes de cisaillement etant les entrees de la fonction de transfert, Pl0-146i FR 14 verifier que la fonction de transfert obtenue fonctionne correctement dans tout le domaine de sollicitations desire. .