Brevet FR2841505A1 — publié le 20040102

Domaine technique L'efficacité et l'ergonomie de certaines applications d'assistance au contrôle longitudinal des véhicules automobiles, peuvent être grandement améliorées par une pédale d'accélérateur haptique. Ce principe, connu en soi, consiste à contrôler la force de rappel de la pédale au moyen d'un actionneur, en fonction d'une grandeur de commande caractéristique: vitesse, accélération, distance inter véhicule etc. Plus simplement, la possibilité d'un ajustement personnalisé de la force de rappel de la pédale peut être utilisée pour l'amélioration du confort de conduite. La présente invention ne concerne pas le principe haptique en lui même qui est connu par différents brevets. Elle propose une amélioration du brevet EP0617674 par la conception d'une pédale d'accélérateur dans laquelle un actionneur intégré au mécanisme de la pédale peut contrôler la force de rappel sans modifier la pente et l'hystérésis de la caractéristique force/déplacement initiale. Etat de l'art Dans la description qui suit, on utilisera aussi bien les termes force de rappel que couple de rappel de la pédale, dont la relation est évidente pour l'homme de l'art. Jusqu'à une date récente, les pédales d'accélérateur étaient reliées mécaniquement à l'organe de contrôle du moteur, papillon d'air ou pompe à injection, lequel comportait les ressorts de rappel qui déterminent la caractéristique force/déplacement de la pédale. Les brevets de systèmes haptiques mettaient en oeuvre un actionneur additionnel connecté à la liaison mécanique entre la pédale et le moteur, solution qui n'est pas applicable aux pédales dites électroniques ou encore "drive by wire" des voitures récentes. De plus et surtout, les principes et les moyens d'action présentaient des problèmes de comportement incompatibles avec l'ergonomie de la fonction d'assistance, des attentes de confort, voire même la sécurité de la conduite. La majorité des pédales d'accélérateurs qui équipent les véhicules automobiles présente une caractéristique effort/course illustrée figure 1, avec pour ordres de grandeurs une force de rappel de 20N quand la pédale est en position haute et de 30 à 40N en position basse. La figure 2 illustre l'allure générale d'une relation connue (loi de Stevens) entre l'effort à la pédale et la sensation perçue par le conducteur. Cette loi montre dans la première partie de la courbe une grande sensibilité du conducteur aux modifications de la force de rappel, puis une saturation de la perception suivie d'une perception de l'effort inacceptable pour la fonction accélérateur. i0 Le système actionneur qui contrôle la force de rappel d'une pédale haptique doit donc pouvoir générer une force d'intensité suffisante pour être efficace dès l'origine du déplacement de la pédale (en position haute) et en tout point de la course, sans pour autant que la force de rappel globale appliquée au pied du conducteur atteigne la limite d'acceptabilité quand la pédale est enfoncée. Outre des considérations d'ergonomie et de confort, cette condition répond aussi à la volonté de laisser au conducteur la liberté d'outrepasser consciemment la force de rappel, sans que l'effort supplémentaire nécessite de modifier la position naturelle du pied sur la pédale. Des expérimentations d'un système haptique d'aide à la conduite ont montré que les meilleurs résultats sont atteints quand le contrôle de la force de rappel n'a pas ou peu d'influence sur la pente de la caractéristique initiale de la pédale, celle qui résulte de l'action des ressorts de rappel en l'absence du contrôle d'une force additionnelle par l'actionneur. Cette condition est réalisée quand l'actionneur a la capacité d'accroître la force de rappel proportionnellement à la grandeur de commande, sans influence de la position de la pédale, de la même façon que le ferait l'addition d'une force constante. Comme représenté figure 4, le contrôle de la force se traduit alors par une translation parallèle de la caractéristique initiale (A) de la pédale avec force additionnelle nulle, vers la caractéristique (B) avec un réglage de force additionnelle, sans modification de la pente et en particulier sans accroissement de celle ci. Lorsque le conducteur déplace la pédale, il perçoit ainsi toujours le même gradient de force et la même sensation d'élasticité, ce qui le rend plus réceptif aux informations haptiques Cette caractéristique doit également se vérifier en régime dynamique, lorsque le conducteur impose à la pédale des déplacements qui peuvent être très rapides: pour un réglage de force donné, les déplacements de la pédale ne doivent pas induire de discontinuité ou de transitions dans la force de rappel. Beaucoup de systèmes antérieurs ne répondent pas à cette condition. Les moyens de contrôle de force utilisés dans d'autres domaines, moteurs io couple ou vérins asservis, ne sont pas adaptés à l'équipement d'une pédale d'accélérateur, pour des raisons de masse, d'énergie, de cot et de comportement. Ils peuvent en particulier remettre en cause la sécurité de la fonction. Des systèmes de "durcissement" de pédale ont donc été réalisés sur la base d'un mécanisme qui met ou non en service un ressort additionnel, comme on peut le voir dans les brevets DE2723562 et WO 00156566. Ces systèmes et les réalisations apparentées produisent un fort accroissement de la pente de la pédale et une brusque discontinuité de la force de rappel à la mise en action du ressort. Le brevet DE 196 20 929 montre comment la force de rappel peut être augmentée par un ressort additionnel réglable connecté à la liaison mécanique entre la pédale et le moteur du véhicule. Son action est illustrée par la figure3 du dit brevet o l'on remarque que le système de réglage augmente la force de rappel mais aussi simultanément et dans une forte proportion la pente d'origine. La même caractéristique est illustrée dans le brevet EP0962350 qui fait application d'une telle pédale. La divergence entre la courbe de la force de rappel initiale et la courbe avec force de rappel additionnelle montre que le ressort additionnel est inactif en position de force additionnelle nulle et que l'accroissement de la pente résulte de l'apport de la constante du ressort de réglage lorsqu'il est mis en service. La figure 3, similaire à celles des dits brevets, illustre ce fonctionnement dans lequel le passage de la caractéristique initiale (A), vers la caractéristique (C) avec force de rappel additionnelle, se fait avec un fort accroissement de la pente. Il a pour conséquence un durcissement anormal de la pédale en fin de course et une mauvaise ergonomie du principe haptique, pour lequel la force de rappel ressentie par le conducteur doit être en tout point de la course clairement représentative de la grandeur de réglage et non de la position s de la pédale. L'usage d'un ressort additionnel à faible constante pourrait atténuer ce défaut, mais les résultats sont imparfaits et cette solution impose une course de réglage de grande amplitude, un encombrement important et une puissance inacceptable du moteur de réglage. Le brevet EP0617674 propose une solution performante, avec un dispositif additionnel spécifique dont l'action permet de contrôler la force de rappel sans influencer la pente de la caractéristique initiale de la pédale. Le dispositif du brevet peut toutefois être d'un encombrement excessif pour l'implantation de certaines pédales. La solution de la présente invention consiste en ce qu'un actionneur de réglage commandé par une unité électronique peut déplacer proportionnellement à une grandeur de commande le point d'ancrage de un ou plusieurs ressorts de rappel de la pédale, le dit ressort concourant à la caractéristique initiale de la pédale sur toute la course de celle ci. La grandeur de commande est un signal issu du logiciel de l'application. En intégrant le ressort de réglage aux ressorts de rappel initiaux, la somme des constantes des ressorts et donc la pente de la caractéristique sont identiques en toutes circonstances. L'accroissement de la force est proportionnel au déplacement du point d'ancrage du ressort de réglage et le système est capable selon ce principe de régler une force additionnelle nulle en tout point de la course, dans la mesure o la caractéristique initiale du dit ressort est incluse dans la caractéristique initiale de la pédale. A chaque position du point d'ancrage du ou des ressorts de réglage correspond une force et un couple de rappel additionnel constants sur toute la course de la pédale. La figure 5 montre l'addition des caractéristiques de plusieurs ressorts de pédale, avec des valeurs d'exemple non limitatives. La droite (F) est la caractéristique initiale standard de la pédale en l'absence de force additionnelle (de 20 à 40N). Elle résulte de la sommation de la caractéristique (D) d'un ressort de rappel de base (de 20 à 30N) et de la caractéristique (E) d'un ressort de réglage (O à 1ON). La caractéristique (D) peut être en elle même la somme de plusieurs ressorts en parallèle non représentés, deux le plus souvent, afin de satisfaire aux normes concernant la sécurité de fonctionnement des pédales. Si un actionneur de contrôle accroît la tension d'au moins un des ressorts et en particulier celle du ressort de réglage en éloignant le point d'ancrage de sa position initiale, la caractéristique (E) va se io déplacer parallèlement (caractéristique El) si bien que la caractéristique (F) va aussi se déplacer d'une valeur égale en tout point de la course (caractéristique Fl). Le système se comporte donc comme un système à addition de force constante, avec une translation parallèle de la caractéristique de la pédale de (F) en (Fl) sans augmentation de la pente initiale, depuis une force additionnelle i5 nulle jusqu'à une force additionnelle maximum pour laquelle le ressort de réglage aura été dimensionné. On comprendra que le ressort de réglage peut avoir une précontrainte initiale sans conséquence sur les résultats. Il est donc possible de concevoir selon ces principes une pédale qui réponde aux réglementations relatives à la sécurité de fonctionnement des pédales, comprenant seulement deux ressorts dont un ressort de réglage. Le point impératif de cette conception est que le ou les ressorts de réglage soient actifs sur toute la course de la pédale et qu'ils participent à la caractéristique initiale lorsque le système de réglage est en position de force additionnelle nulle. Cette conception est particulièrement adaptée aux pédales électroniques modernes, mécaniquement découplées, dans lesquelles des ressorts de rappel sont déjà intégrés à la pédale. Elle permet de concevoir un ensemble pédaleactionneur d'une grande sécurité de fonctionnement qui répond aux attentes de l'industrie automobile en terme de cot, d'implantation et d'ergonomie. Pour accroître la sensibilité du conducteur aux variations commandées de la force de rappel, il est préférable que le ou les ressorts de réglage n'aient pas d'action ou seulement une action limitée sur le dispositif d'hystérésis qui équipe généralement les pédales. L'actionneur qui déplace le point d'ancrage du ou des ressorts de réglage peut être un moteur ou un motoréducteur dont le mouvement de sortie est asservi en position selon des moyens connus, sous le contrôle d'une unité électronique qui reçoit les commandes déterminées par le logiciel spécifique à l'application. Afin d'améliorer le confort d'utilisation et de respecter les initiatives du conducteur, la force de rappel additionnelle peut être annulée rapidement en fonction de critères prédéterminés par le logiciel de l'application ou l'unité de contrôle, comme la détection d'une action de débrayage par le conducteur, la mise en service d'un clignotant, une volonté d'accélération rapide ou insistante de la part du conducteur, selon des choix non limitatifs programmés dans l'application. La volonté d'accélérer est détectée en appliquant le signal de position de la pédale à une fonction de dérivation suivie d'une fonction de seuil, de telle façon que la commande d'annulation rapide de la force de rappel additionnelle ne soit validée que si la pédale a eu simultanément une course et une vitesse de déplacement suffisantes. Ces fonctions peuvent être réalisée par l'unité électronique de contrôle de l'actionneur ou plus généralement au niveau du logiciel de l'application. Le retour rapide est obtenu par la commande à pleine vitesse de l'actionneur de réglage vers la position de force additionnelle nulle. Il peut aussi résulter de l'action d'un système de désaccouplement commandé inséré entre le moteur de réglage et le point d'ancrage du ressort de telle façon que le point d'ancrage revienne de lui même en position de repos sous l'effet du ressort. Cette solution permet de réduire la vitesse nominale et donc la puissance de l'actionneur de réglage et elle peut aussi être utilisée pour une inhibition certaine du système en cas de défaillance. Les figures jointes représentent: Figure 1: courbe caractéristique standard d'une pédale d'accélérateur. Figure 2: relation entre les sensations du conducteur et la force de rappel. Figure 3: contrôle de la force de rappel avec accroissement de la pente initiale. Figure 4: contrôle de la force de rappel à pente constante. Figure 5 contribution des effets de plusieurs ressorts à la caractéristique de la pédale. Figure 6 schéma représentatif de la fonction de détection des accélérations volontaires. Figure 7: représentation schématique d'un mode de réalisation de la pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré. Description d'un mode de réalisation préférentiel La description suivante illustre un mode de réalisation préférentiel mais non io limitatif de la pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré, en application des principes ci avant. La figure (7) donne une représentation schématique de la pédale d'accélérateur sous forme d'un assemblage linéaire de blocs de fonctions. Les détails de construction sont connus de l'homme de l'art et ils ne sont pas représentés pour la clarté de la représentation. La pédale comprend un bras de pédale d'accélérateur (1), un capteur de recopie de position (2), un dispositif d'hystérésis (3), des ressorts de rappel (4,5) comprenant le ressort de réglage (4), un moteur ou motoréducteur de réglage ( 6), commandé par une unité électronique (7). Une extrémité des ressorts de rappel (4,5) est solidaire des déplacements du bras de pédale (1). Le ressort de rappel (5) peut être formé de un ou deux ressorts, dont les forces de réaction agissent sur le dispositif d'hystérésis (3). Le capteur de position, le dispositif d'hystérésis, le(s) ressort de rappel (5) sont conformes aux solutions connues en soi pour la construction de ce type de pédale. Il va de soi que le capteur de position pourrait être séparé du mécanisme de la pédale sans que les principes soient mis en cause. Selon un mode de réalisation préférentiel, le ressort de rappel (4) utilisé comme ressort de réglage est un ressort couple, en hélice ou en spirale. Ce type de ressort favorise un encombrement réduit et il autorise une course active plus longue qui répond aux besoins du réglage. Contrairement au(x) ressort (5), ce ressort n'exerce pas d'action sur le dispositif d'hystérésis (3). Une extrémité du ressort (4) est solidaire des déplacements de la pédale et l'autre extrémité est fixée au mouvement de sortie du motoréducteur de réglage (6). Le moteur ou motoréducteur de réglage (6) est de préférence non réversible mécaniquement afin que la position de réglage soit maintenue sans consommation d'énergie. La figure 7 schématise un motoréducteur (6) de type vis sans fin non réversible, qui est parmi d'autres une solution appropriée. L'extrémité du ressort (4) pourrait aussi être actionnée par un dispositif vis écrou tangent au ressort. Une réalisation selon la disposition de la figure 7 nécessite que l'axe de la pédale puisse tourner librement au centre du réducteur qui lui est concentrique. Il ne faut voir dans cette représentation qu'un exemple de réalisation. Le réducteur pourrait io être de nature différente et/ou l'axe de la pédale pourrait tout aussi bien être sorti du coté opposé à l'ensemble. Sur un plan général l'homme de l'art est capable de concevoir, selon les principes de l'invention, l'intégration mécanique la plus adaptée à un encombrement et un cot minimums. Un capteur transmet vers l'unité électronique de contrôle le signal (8) de la position du point d'ancrage du ressort (4). Le signal de position peut aussi résulter de la mesure du déplacement d'un élément mécanique intermédiaire, du contrôle direct d'un moteur pas à pas ou de tout autre système connu. Selon une variante de réalisation non représentée, il existe dans la cinématique du système de réglage, entre le moteur et le point d'ancrage du ressort, un dispositif de désaccouplement commandé, par exemple de type billage, crabotage, embrayage commandés ou tout autre dispositif connu, qui permet de libérer instantanément le point d'ancrage du ressort de réglage (4) de telle façon qu'il revienne de lui même à sa position initiale par l'application d'un signal de commande. La détection de la volonté du conducteur d'accélérer est réalisée en appliquant le signal de la recopie de position de la pédale à une fonction de détection dont le principe est illustré par la figure 7 sous forme d'un schéma électronique de technologie analogique. Le signal de recopie de position de la pédale est appliqué à un circuit dérivateur RC qui délivre un signal représentatif à la fois de l'amplitude et de la vitesse de déplacement de la pédale. Ce signal est appliqué à un comparateur à seuil dont la sortie ne délivre un signal de commande que si l'amplitude et la vitesse de déplacement de la pédale sont suffisants. Un déplacement brusque de la pédale commande instantanément un retour rapide à la force nulle à condition que la course soit suffisante, typiquement quelques millimètres. Le retour peut aussi être commandé par un déplacement plus lent de la pédale, au delà d'une vitesse d'action minimum, à condition que ce déplacement soit insistant. Le délai de déclenchement dépend alors de la vitesse d'enfoncement. Les résultats de cette fonction sont très proches des besoins et des sensations de conduite du conducteur et beaucoup plus satisfaisants que le principe connu de "kick down" qui nécessite d'amener la pédale en fin de course 1o pour déclencher une action. Le schéma analogique de la figure 7 est représentatif de la fonction réalisée et l'on comprendra qu'il peut être interprété dans le logiciel d'une unité de commande par une fonction de dérivation, de préférence filtrée, suivie d'une fonction de seuil. i5 Selon une variante de réalisation, le motoréducteur a un rapport de réduction particulièrement élevé et une vitesse lente du mouvement de sortie, ce qui autorise l'utilisation d'un moteur de très faible puissance. Cette variante de réalisation de cot réduit trouve une application particulière dans la réalisation d'une pédale d'accélérateur destinée à l'amélioration du confort de conduite par le réglage électrique d'une force de rappel personnalisée. Cette invention trouve un usage privilégié comme Interface Homme Machine, dans des applications d'aide à la conduite tels les limiteurs de vitesse adaptatifs, l'aide au respect des distances de sécurité inter véhicules, l'alerte anticollision, et en général les assistances visant à améliorer la sécurité de la conduite. Elle peut participer à la réduction de la consommation ainsi qu'à l'accompagnement des décisions du conducteur dans le suivi d'une carte routière électronique. ^Revendications 1 - Pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré, comprenant un bras de pédale (1), un capteur de recopie de position (2), un dispositif d'hystérésis (3), des ressorts de rappel (4,5) caractérisée en ce qu'un actionneur de réglage (6) commandé par une unité électronique (7) peut déplacer proportionnellement à une grandeur de commande issue d'un logiciel d'application le point d'ancrage d'au moins un des ressorts de rappel utilisé en ressort de réglage(4), le dit ressort concourant à la caractéristique initiale de la 1o pédale sur toute la course de celle ci. 2 - Pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré selon la revendication 1, caractérisée en ce que à chaque position du point d'ancrage du ou des ressorts de réglage correspond une force et un couple de rappel additionnels constants en tout point de la course, déterminant une translation de la caractéristique de pédale parallèle à la caractéristique d'origine entre une position de force additionnelle nulle et une position de force additionnelle maximum. 3 - Pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré selon les revendications let 2, caractérisée en ce que le ou les ressorts de réglage (4) n'ont pas d'action ou seulement une action limitée sur le dispositif d'hystérésis de la pédale (3). 4 - Pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré selon l'ensemble des revendications précédentes caractérisée en ce que le(s) ressort(s) de réglage (4) est un ressort couple de type spiral ou en hélice et dont l'actionneur est un motoréducteur à vis sans fin non réversible ou un dispositif vis écrou tangent au ressort. il - Pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisée en ce que le mouvement de l'actionneur (6) est non réversible mécaniquement. 6 - Pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il existe entre l'actionneur et le point d'ancrage du ressort de réglage (4) un dispositif de désaccouplement commandé. 1o 7 - Pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'unité électronique de contrôle (7) ou le logiciel d'application peuvent commander un retour rapide du réglage de la force de rappel en position nulle en fonction de critères prédéfinis comme une action de débrayage par le conducteur, la mise en service d'un clignotant, la détection de la volonté d'accélérer du conducteur. 8 - Pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisée en ce que le retour rapide peut résulter de la commande à pleine vitesse de l'actionneur (6) ou de la commande du dispositif de désaccouplement commandé. 9 - Pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisée en ce que la volonté d'accélérer du conducteur est détectée en appliquant le signal de recopie de position de la pédale à une fonction de dérivation suivie d'une fonction de seuil de telle façon que le signal de retour rapide ne soit validé que si la pédale a eu simultanément une course et une vitesse de déplacement suffisantes. - Pédale d'accélérateur à contrôle de force de rappel intégré selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisée en ce que cette pédale trouve une application particulière dans la réalisation d'une pédale d'accélérateur destinée à l'amélioration du confort de conduite par le réglage électrique d'une force de rappel personnalisée.