Brevet FR2835918A1 — publié le 20030815

La présente invention se rapporte à l'évaluation de l'adhérence d'un véhicule sur une chaussée. Elle concerne plus particulièrement la détermination de caractéristiques d'adhérence entre la chaussée et une roue de véhicule, équipée d'un bandage élastique tel qu'un pneu gonflé ou un bandage élastique non pneumatique qui roule sur la chaussée. La présente invention concerne aussi les divers dispositifs d'assistance électronique utilisés par exemple pour la régulation antiblocage des freins d'un véhicule ou la régulation anti-patinage des roues motrices, le contrôle de trajectoire d'un véhicule ou encore pour d'autres formes de contrôle ou de surveillance comme la pression des pneus. On sait que de tels dispositifs reconstruisent par calcul le coefficient d'adhérence (u) des pneus sur la chaussée, sans avoir procédé à la moindre mesure ni du coefficient d'adhérence ni des efforts développés dans le contact des pneus au sol. Même si ces dispositifs apportent une assistance remarquable et un surcroît de sécurité, leur fonctionnement gagnerait beaucoup à utiliser une valeur mesurée, ou estimée à partir de mesures réelles effectuées sur le pneu en fonctionnement. C'est pourquoi l'objectif de la présente invention est de proposer une évaluation de l'adhérence d'un véhicule sur une chaussée, plus précisément de ses roues ou pneus ou bandages élastiques, termes considérés comme équivalents dans le contexte de la présente invention. Elle concerne plus particulièrement la détermination de caractéristiques d'adhérence entre la chaussée et une roue de véhicule, équipée d'un bandage élastique tel qu'un pneu gonflé ou un bandage élastique non pneu qui roule sur la chaussée. Les divers dispositifs d'assistance électronique évoqués ci-dessus profiteraient donc utilement d'indications en temps réel sur les conditions d'adhérence susceptibles d'affecter le comportement d'un véhicule, notamment dans le cas où il subit une accélération par effort moteur ou par effort freineur ou par changement de direction de déplacement. L'invention vise à fournir une méthode d'y parvenir de manière efficace. Dans ce qui suit, on entend par potentiel d'adhérence maximum le rapport entre l'effort tangentiel maximal (transversal ou longitudinal ou les deux combinés) et l'effort normal que la roue peut subir. Dans le texte, on le désigne aussi par le terme coefficient d'adhérence maximal ou la lettre ! l. On entend par efforts globaux les trois composantes de forces Fx, Fy et Fz appliquées 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'adhérence maximum, il a été proposé d'équiper la bande de roulement d'un pneu, ou certains éléments de la bande de roulement spécialement adaptés, de capteurs destinés à mesurer ou à estimer les efforts générés localement, en particulier en conditions de glissement. Ces approches, quoique fort prometteuses, présentent néanmoins certaines difficultés intrinsèques. Il est en effet difficile de garantir le bon fonctionnement d'un capteur dans cette zone du pneu, en particulier avec l'usure de la bande de roulement, pendant toute la vie du pneu. De plus, les estimations fournies par ces capteurs sont très locales et sensibles à l'état de surface de la chaussée. Or comme on cherche en fait à estimer le potentiel d'adhérence maximum de la roue, il faut encore le déterminer à partir du potentiel local mesuré. L'invention détaillée ici se distingue de ces approches locales. Elle propose d'utiliser une mesure des déformations globales du pneu de manière à obtenir une information sur le potentiel d'adhérence maximum de la roue sur le sol. En effet, lorsque le pneu est soumis à une sollicitation, le point d'application des forces appliquées dans l'aire de contact dépend entre autre du coefficient d'adhérence maxi parce que, dès qu'une partie de l'aire de contact de la roue sur la chaussée est en glissement, sa contribution aux efforts tangentiels est saturée à un niveau qui dépend du coefficient d'adhérence. Les déformations du pneu sont elles mêmes sensibles au déplacement de ce point d'application. En particulier, l'extension circonférentielle des flancs, sensible aux efforts appliqués, est aussi sensible au déplacement du point d'application des forces dans l'aire de contact. La méthode proposée utilise des mesures des déformations circonférentielles du flanc en certains azimuts du pneu pour permettre une estimation du coefficient d'adhérence maxi. Pour fournir une bonne estimation de Il, la méthode nécessite qu'il existe une zone de glissement dans l'aire de contact, qu'elle soit créée par une conception spéciale du pneu ou par un niveau suffisant de sollicitation appliqué au pneu. De manière à obtenir une information fiable même en cas de faible glissement, l'invention propose d'estimer, en plus du potentiel d'adhérence maximal, le pourcentage de potentiel utilisé. Cette grandeur présente en effet l'avantage d'être plus facilement estimée en valeur absolue même pour des sollicitations faibles. La méthode selon l'invention, pour la détermination du coefficient d'adhérence u. dans l'aire de contact d'un pneu sur une chaussée, comporte les étapes suivantes : 'sélectionner plusieurs points fixes dans l'espace, situés à des azimuts différents le long de la circonférence dans au moins un flanc du pneu, effectuer autant de mesures de variation de distance circonférentielle (extension ou contraction) à ces points fixes lorsque le pneu roule sur la chaussée et l'on traite les signaux de mesure de façon à en extraire ledit coefficient d'adhérence Il. Avantageusement, ledit coefficient d'adhérence Il est déduit d'au moins 5 mesures de variation de distance circonférentielle (extension ou contraction) effectuées dans au moins un flanc du pneu, en 5 points fixes dans l'espace (c'est à dire fixes dans le repère lié au véhicule), situés à des azimuts différents le long de la circonférence. La méthode de l'invention est basée sur la constatation du fait que les efforts agissant entre la bande de roulement du pneu et la chaussée provoquent une déformation sensible et reproductible sous forme d'une extension ou contraction circonférentielle des flancs des pneus. Cette déformation d'extension ou de contraction circonférentielle, si l'on parvient à la mesurer isolément lors de la rotation du pneu en temps réel, peut permettre de connaître à chaque instant le sens et l'intensité des efforts agissant sur le pneu ainsi que le signe et l'intensité du couple d'auto-alignement exercé par le pneu et le coefficient d'adhérence du pneu sur la chaussée. Sous un aspect particulier mais intéressant, l'invention propose d'estimer la contraction ou l'extension circonférentielle des flancs par la mesure de la distance entre les fils de la nappe carcasse dans les flancs. On peut aussi mesurer la distance entre des fils (par exemple deux) placés dans les flancs et qui subissent des mouvements corrélés à ceux des fils de la nappe carcasse. On parlera dans la suite de la mesure de l'écart entre les fils . Notons que si cette dénomination est liée à la structure radiale d'un pneu la méthode ne s'applique pas uniquement aux pneus à carcasse radiale. Ainsi, on parlera d'écart fils pour désigner la distance moyenne entre deux tracés réalisés sur le flanc à des azimuts voisins mais différents. Notons que dans le cas où la mesure de l'extension circonférentielle des flancs est réalisée dans l'épaisseur des flancs à un endroit différent de leur fibre neutre en flexion, l'extension circonférentielle inclut une composante due à la flexion du flanc, notamment lors du passage dans l'aire de contact (phénomène aussi appelé ventre de lapin ). Cette composante due à la flexion n'est en aucun cas un problème et peut être mise à profit pour augmenter la dynamique de variation des signaux utilisés par l'invention en réalisant la mesure d'extension ailleurs que sur la fibre neutre en flexion. La suite de la description explique plus en détails l'invention à l'aide des figures jointes dans lesquelles : la figure 1 est une perspective d'un pneu sur lequel on définit des conventions utiles à l'intelligence de l'invention ; la figure 2 est une vue de face d'un pneu schématique permettant d'expliquer l'invention ; la figure 3 est une vue de côté d'un pneu schématique permettant d'expliquer l'invention ; la figure 4 illustre le cisaillement d'une nervure dans l'aire de contact, ainsi que les contraintes associées ; la figure 5 illustre l'effet du coefficient de frottement sur la répartition des efforts ; la figure 6 est un bloc diagramme de l'estimation de u, à partir des mesures de déformation ; la figure 7 donne les résultats de l'estimation de et du pourcentage du potentiel d'adhérence utilisé. La méthode décrite ici s'appuie sur le fait que chaque force appliquée au pneu dans l'aire de contact provoque une modification de l'extension circonférentielle des flancs du pneu. Considérons le cas d'un pneu monté sur sa roue et gonflé sur le premier flanc duquel on repère (figure 1) deux points Al et A2 placés sur un même rayon mais séparés dans la direction circonférentielle. Sur le second flanc, aux mêmes azimuts que Al et A2 et sur le même rayon, on choisit deux points BI et B2. En l'absence de forces appliquées sur le pneu, la distance qui sépare les deux points est constante en fonction de l'angle de rotation de l'ensemble monté. Lorsque le pneu est soumis à des forces, on observe les effets suivants pour chacune des composantes desdites forces : 'La composante verticale (dénommée Fz) plaque le pneu sur le sol. En créant une aire de contact, elle entraîne une variation de la distance entre les deux points Al et A2 lorsque le pneu est en rotation, traduisant une modification de l'extension circonférentielle des flancs. * La composante horizontale dans la direction de roulage (dénommée Fx) provoque une différentiation des zones situées en entrée et en sortie de l'aire de contact. Ceci se traduit par une évolution de l'extension des flancs essentiellement en entrée et en sortie de l'aire de contact. Lorsqu'une force Fx positive est appliquée (couple moteur), les deux flancs sont comprimés dans la direction circonférentielle en entrée d'aire de contact et en extension en sortie d'aire de contact (Diminution de la distance environ vers 135 et augmentation environ vers 225 ). Lorsqu'une force Fx négative est appliquée (couple freineur), les deux flancs sont comprimés dans la direction circonférentielle en sortie d'aire de contact et en extension en entrée (Diminution de la distance vers 2250 et augmentation vers 135 ). La composante horizontale dans la direction transverse (dénommée Fy) provoque principalement une différenciation des deux flancs. Dans le cas d'une sollicitation avec Fy positif, l'un des flancs est principalement mis en extension circonférentielle (augmentation de la distance entre A et A2) et l'autre flanc est mis en contraction circonférentielle (diminution de la distance entre BI et B2). Le couple d'auto-alignement N (moment autour de l'axe vertical) n'est pas à proprement parler un autre effort agissant entre la bande de roulement du pneu et la chaussée. Il s'agit plutôt d'une conséquence de la façon dont les composantes Fx, Fy et Fz sont appliquées dans l'aire de contact. Si le point d'application de la résultante ayant pour composantes Fx, Fy et Fz n'est pas le centre de l'aire de contact, cette résultante génère un moment autour de Oz que l'on appelle couple d'auto-alignement. La présence de ce moment se traduit principalement par une rotation de l'aire de contact autour de Oz. Cet effet a pour conséquence par exemple une extension circonférentielle en entrée d'aire de contact et une contraction circonférentielle en sortie d'aire de contact sur un flanc alors que sur l'autre flanc on observe une contraction circonférentielle en entrée d'aire de contact et une extension circonférentielle en sortie d'aire de contact par rapport à une situation à couple d'auto-alignement nul. Lorsque qu'une sollicitation qui mêle des composantes Fx, Fy et Fz est appliquée, on observe une superposition des effets énoncés précédemment sur l'extension dans la direction circonférentielle. Un des avantages de la méthode proposée est de permettre une séparation des contributions de chaque composante de la sollicitation appliquée, de manière à permettre une estimation de chacune de ces composantes. Définissons l'azimut 0 comme l'angle auquel on analyse l'extension circonférentielle des flancs. L'origine de l'azimut est prise à l'opposé du centre de l'aire de contact. Le centre de l'aire de contact a donc l'azimut 180 . L'invention repose sur la remarque suivante : Considérons un pneu simplifié muni d'une nervure unique continue. Les figures 2 et 3 représentent un tel pneu. Dans la zone de l'aire de contact, la nervure est soumise à une contrainte verticale qui la plaque contre le sol. On parle souvent de mise à plat, dans l'empreinte du pneu sur le sol. En l'absence de dérive du pneu, une droite formée par des points de repère pris sur la nervure de façon à ce qu'ils soient alignés dans l'empreinte de contact avec le sol sont ensuite, lors de la rotation du pneu, compris dans un plan qui contient ladite droite définie lorsque les points étaient dans l'empreinte de contact. Si l'on applique un angle de dérive au pneu en roulage, le plan contenant lesdits points de repère lorsqu'ils sont suffisamment éloignés de l'empreinte de contact au sol forme un angle égal à l'angle de dérive avec les points de repère lorsqu'ils sont alignés dans l'empreinte de contact avec le sol. Sur la figure 4, on peut observer en trait plein la nervure vu de dessus sans dérive et en pointillés la nervure avec une dérive imposée. Plus on s'enfonce dans l'aire de contact, plus la nervure est cisaillée et plus la contrainte latérale qui s'applique est grande. Si l'angle de dérive est suffisant, il existe dans l'aire de contact un point G, où cette contrainte latérale devient supérieure au potentiel d'adhérence maximum Ill, la nervure se met à glisser. Cette situation est représentée en trait mixte sur la figure 4. La force latérale Fy, générée par le pneu est égale à l'intégrale dans l'aire de contact de la contrainte latérale. Si le pneu est placé à un endroit où le potentiel d'adhérence maxi zu est plus faible que Ill, il est nécessaire d'augmenter l'angle de dérive pour que le pneu génère la même force de poussée Fy. La zone de glissement commence désormais au point G2 plus proche de l'entrée de l'aire de contact. La figure 5 permet de comparer les deux situations. Entre ces deux configurations, les efforts latéraux sont les mêmes (même aire sous la courbe) mais le point d'application de la force Fy s'est déplacé. Plus le potentiel d'adhérence maxi diminue, c'est à dire plus le coefficient d'adhérence diminue, plus le point d'application de la force latérale se déplace vers l'entrée de l'aire de contact. Une conséquence est que pour le même effort latéral Fy, les déformations du pneu diffèrent en raison d'un déplacement du point d'application de la force. On va exploiter ces différences de déformation pour estimer le coefficient d'adhérence maxi. Pour disposer d'autant d'informations que possible pour estimer le coefficient d'adhérence sur l'ensemble du domaine de sollicitation, on estime u. directement à partir des mesures de déformation réalisées sur le pneu, sans passer par une estimation des efforts à partir desquels on rechercherait ensuite à estimer u. (figure 6). En particulier, il est possible d'utiliser la mesure de l'extension circonférentielle des flancs du pneu pour estimer le potentiel d'adhérence maxi. En effet, comme déjà vu précédemment, l'évaluation du potentiel maxi d'adhérence utilise le positionnement du point d'application des forces Fx et Fy. Ce point d'application se déplace dans l'aire de contact en fonction du potentiel d'adhérence, en provoquant une modification de l'extension circonférentielle. La mesure de l'extension circonférentielle des flancs en plusieurs azimuts permet d'obtenir une estimation du coefficient d'adhérence maxi, en procédant à un traitement du signal approprié, comme on va l'expliquer en détails. Parmi les nombreuses variantes possibles pour la mesure de l'extension circonférentielle, notons les approches suivantes : 'La mesure de l'extension circonférentielle des flancs par capteur (s) intégrés au (x) flanc (s) du pneu. Un tel capteur tourne avec le pneu, il parcourt donc tous les azimuts et, si l'on sait le positionner, il permet une mesure en tous les azimuts. Il est possible dans ce cas, pour disposer des valeurs d'extension circonférentielle en plusieurs azimuts, d'utiliser une hypothèse de stationnarité des efforts et de u. pendant une portion de tour de roue pour utiliser les valeurs données par un même capteur en différents azimuts (gain sur le nombre de capteurs) ou il est possible de privilégier le temps de réponse et d'équiper le pneu de plusieurs capteurs placés à différents azimuts. Tout panachage est bien sur possible. 'La mesure de l'extension circonférentielle des flancs par capteur (s) externe (s) au pneu. Dans ce cas, des capteurs externes au pneu observent les flancs et permettent la mesure de l'extension circonférentielle. Il faut a priori autant de capteurs que d'azimuts à observer. De manière à capturer convenablement les évolutions de l'extension circonférentielle, les mesures doivent être réalisées en des azimuts bien choisis. En particulier et à titre d'exemple non limitatif, on peut indiquer les cas suivants : 'Mesure en trois azimuts sur les deux flancs. Un azimut choisi en entrée d'aire de contact (par exemple entre 100 et 150 d'azimut), une mesure à 180 (centre de l'aire de contact) et une mesure en sortie d'aire de contact à l'azimut symétrique de celui utilisé en entrée. Ceci donne un total de six valeurs d'extension circonférentielle à partir desquelles il est possible d'estimer le coefficient d'adhérence maxi. 'Mesure en sept azimuts sur un unique flanc. Les trois premiers sont situés en entrée d'aire de contact, le quatrième à 180 au centre de l'aire de contact et les trois derniers symétriques des trois premiers par rapport au centre de l'aire de contact. Pour établir la fonction de transfert entre les mesures d'extension circonférentielle en plusieurs azimuts et le coefficient d'adhérence maxi, on peut par exemple utiliser un réseau de neurones, du type perceptron à une couche cachée, utilisé en tant qu'approximateur. Toute autre fonction mathématique permettant ce type d'approximation est bien sur utilisable. Soit le cas où l'on utilise un réseau de neurones pour réaliser la fonction de transfert. La démarche suivie pour construire la fonction est la suivante : La première étape consiste à réaliser une base de données contenant les valeurs des extensions circonférentielles aux azimuts choisis (ou toute valeur représentative) qui représenteront les entrées de la fonction de transfert, et contenant 1-1. Il est possible de construire une telle base de données soit à l'aide d'une machine de mesure (l'avantage est de pouvoir solliciter le pneu par des forces Fx, Fy, Fz indépendantes et de faire varier le coefficient d'adhérence) soit sur véhicule en utilisant par exemple une roue dynamométrique (pour mesurer les efforts) et en roulant sur différents sols. Dans un second temps, on recherche une fonction de transfert à l'aide de cette base de données, 1-1 étant la sortie de la fonction de transfert. Dans le cas où on utilise un réseau de neurones, c'est la phase d'apprentissage. La troisième étape consiste à vérifier que la fonction de transfert obtenue fonctionne correctement dans tout le domaine désiré, c'est à dire à vérifier qu'elle est généralisable. Dans tous les cas, la méthode proposée pour estimer le coefficient d'adhérence maxi nécessite de solliciter le pneu par des efforts Fx, Fy ou les deux combinés. En effet, il est absolument nécessaire qu'il existe une zone de glissement dans l'aire de contact pour que la démarche présentée s'applique. Grâce à cette méthode, on est certain d'avoir une estimation de la limite d'adhérence avant de l'atteindre. Toutefois, lorsque le pneu est très peu sollicité, l'estimation est imprécise ou fausse (absence de glissement de l'aire de contact). Pour cette raison, il est proposé de s'intéresser au pourcentage de potentiel d'adhérence utilisé défini de la façon suivante : L'approche proposée ici consiste à déterminer directement le pourcentage pu à partir des mesures d'extension circonférentielle. Comme pour la détermination de Il, on peut procéder de la façon suivante : La première étape consiste à réaliser une base de données contenant les valeurs des extensions circonférentielles aux azimuts choisis (ou toute valeur représentative) qui représenteront les entrées 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 données soit à l'aide d'une machine de mesure (l'avantage est de pouvoir solliciter le pneu par des forces Fx, Fy, Fz indépendantes et de faire varier le coefficient d'adhérence) soit sur véhicule en utilisant par exemple une roue dynamométrique (pour mesurer les efforts) et en roulant sur différents sols. Dans un second temps, on recherche une fonction de transfert à l'aide de cette base de données, pu étant la sortie de la fonction de transfert. Dans le cas où on utilise un réseau de neurones, c'est la phase d'apprentissage. La troisième étape consiste à vérifier que la fonction de transfert obtenue fonctionne correctement dans tout le domaine désiré, c'est à dire à vérifier qu'elle est généralisable. Le pourcentage proposé présente l'intérêt d'être plus facilement correctement estimé en grandeur absolue quelle que soit la sollicitation, même faible, appliquée au pneu. On l'obtient de manière directe par exemple par un réseau de neurones en appliquant la démarche présentée pour l'estimation de Il. La figure 7 présente un exemple de reconstruction du potentiel d'adhérence maxi et du pourcentage de potentiel utilisé. Le couple moteur ou freineur (glissement lié à Fx) et la force transversale (dérive liée à Fy) varient au cours du temps ainsi que le sol sur lequel roule le véhicule. La charge Fz est imposée. Lorsque la sollicitation du pneu est faible (Fx et Fy faibles simultanément) au voisinage de 4 s, la qualité de l'estimation du potentiel d'adhérence maxi chute. L'estimation du pourcentage de potentiel utilisé reste quant à elle tout à fait correcte. Dans le cadre d'une utilisation par un système embarqué dans un véhicule (système de type ESP ou ABS), il est intéressant de disposer d'une grandeur définie sur tout le domaine d'utilisation. Il est par exemple envisageable d'utiliser le pourcentage de potentiel d'adhérence utilisé pour affiner les mécanismes de régulation des systèmes ABS ou ESP. REVENDICATIONS 1. Méthode de détermination du coefficient d'adhérence u. dans l'aire de contact d'un pneu sur une chaussée, dans laquelle on sélectionne plusieurs points fixes dans l'espace (c'est à dire fixes dans le repère lié au véhicule), situés à des azimuts différents le long de la circonférence dans au moins un flanc du pneu, on effectue autant de mesures de variation de distance circonférentielle (extension ou contraction) à ces points fixes lorsque le pneu roule sur la chaussée et l'on traite les signaux de mesure de façon à en extraire ledit coefficient d'adhérence u.. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit coefficient d'adhérence est déduit d'au moins 5 mesures de variation de distance circonférentielle (extension ou contraction) effectuées dans au moins un flanc du pneu, en 5 points fixes dans l'espace (c'est à dire fixes dans le repère lié au véhicule), situés à des azimuts différents le long de la circonférence. 3. Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la mesure de la variation circonférentielle est effectuée par au moins un capteur intégré dans un flanc du pneu, le signal délivré par ledit capteur étant traité pour relever sa valeur en plusieurs azimuts correspondant auxdits points fixes. 4. Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la mesure de la variation circonférentielle est effectuée par autant de capteurs que d'azimuts à observer, les capteurs étant externes au pneu et disposés dans l'espace fixe. 5. Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'on effectue une mesure en trois azimuts sur chacun des deux flancs, à un azimut choisi en entrée d'aire de contact, à 180 et à un azimut choisi en sortie d'aire de contact, azimut symétrique de celui utilisé en entrée. 6. Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce l'on effectue une mesure en sept azimuts sur un seul flanc, les trois premiers azimuts étant situés en entrée d'aire de contact, le quatrième à 180 au centre de l'aire de contact et les trois derniers symétriques des trois premiers par rapport au centre de l'aire de contact. 7. Méthode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'on établit une fonction de transfert entre les mesures et le coefficient d'adhérence maxi par les étapes suivantes : . réaliser une base de données contenant les valeurs des variations circonférentielles aux azimuts choisis, et les valeurs de Il associées, l'ensemble des valeurs étant relevées expérimentalement. rechercher une fonction de transfert à l'aide de cette base de données, Il étant la sortie de la fonction de transfert. 8. Méthode selon la revendication 7, utilisant un réseau de neurones du type perceptron à une couche cachée, utilisé en tant qu'approximateur. 9. Méthode selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'on estime la variation circonférentielle par la mesure de la distance entre les fils de la nappe carcasse dans les flancs. 10. Méthode selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'on détermine 2 2 x y le pourcentage de potentiel d'adhérence utilisé défini par Pu ='''='---lu u. F- en procédant de la façon suivante : 'réaliser une base de données contenant les valeurs des extensions circonférentielles aux azimuts choisis, pour un ensemble de sollicitations du pneu, * rechercher une fonction de transfert à l'aide de cette base de données, pu étant la sortie de la fonction de transfert, les valeurs des extensions circonférentielles étant les entrées de la fonction de transfert, e vérifier que la fonction de transfert obtenue fonctionne correctement dans tout le domaine de sollicitations désiré.