Brevet FR2873811A1 — publié le 20060203

PROCEDE D'EVALUATION DYNAMIQUE DE L'ADHERENCE MAXIMALE D'UN PNEUMATIQUE ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un procédé d'évaluation d'un coefficient d'adhérence maximale d'un pneumatique d'un véhicule. Elle concerne également un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'industrie automobile. La connaissance de l'ensemble des adhérences au sol associées aux pneumatiques des roues d'un véhicule caractérise à tout instant le potentiel physiquement exploitable par le véhicule et donc ses performances dynamiques maximales. io II est donc essentiel de pouvoir évaluer cet ensemble d'informations en temps réel et quelles que soient les conditions environnementales (neige, pluie, route cimentée, route goudronnée,...) et celles du pneumatique lui-même (pression de gonflage, température, usure,...), ceci de manière à pouvoir: - avertir le conducteur du véhicule des valeurs des adhérences des pneumatiques, ou d'une valeur globale moyenne, afin de lui permettre d'adapter sa conduite et de son plein gré en fonction des informations d'adhérence qu'il reçoit, - reparamétrer en conséquence, c'est-à-dire en tenant compte de l'adhérence de chaque roue, les lois de commande de l'ensemble des systèmes pilotés intervenant dans le contrôle dynamique du véhicule (liaisons au sol et chaîne de traction notamment). Parmi ces systèmes, on peut citer le freinage par ABS, la correction de trajectoire par ESP et l'assistance à la direction DAE, dont les prestations (distance de freinage, régulation de la trajectoire, agrément de direction) peuvent grandement bénéficier d'un reparamétrage des commandes prenant en compte au mieux la situation instantanée ou quasi-instantanée d'adhérence globale et individuelle des roues du véhicule. Par définition, l'adhérence est liée au rapport entre les forces générées dans le plan de contact du pneumatique avec le sol (effort longitudinal et effort transversal) et l'effort normal sur le pneumatique, de sorte que la définition de l'adhérence est conforme à l'équation suivante: p (t) =(F2x(t)+ F2v(t))'r2/I FZ(t) I io Dans une condition de roulage du véhicule en ligne droite, l'adhérence maximale peut être approchée par la relation suivante: p ma=max(I Fx(t)lFZ(t) I) Dans la suite, seuls seront alors pris en compte l'effort longitudinal Fx et l'effort normal F. L'évaluation de l'adhérence maximale et donc des efforts maximaux transmissibles peut être approchée selon deux méthodes distinctes. La première méthode est basée sur une connaissance indirecte des efforts sur les pneumatiques au travers de leurs conséquences sur d'autres variables mesurées telles que les vitesses de rotation des roues, la vitesse de lacet du véhicule,... La présente invention se place dans le cadre de la deuxième méthode d'évaluation qui, contrairement à la première, est basée sur une connaissance directe des efforts pneumatiques à partir de mesures effectuées par des capteurs spécifiques et l'exploitation des signaux fournis par ces capteurs pour en déduire une estimation de l'adhérence maximale. De tels capteurs d'efforts pneumatiques sont décrits dans le brevet américain n 5,964,265 et la demande de brevet français n 2 812 356. Ces capteurs connus permettent, entre autres, de mesurer les forces longitudinales, transversales et normales exercées sur les pneumatiques. La connaissance ainsi obtenue des efforts pneumatiques rend possible l'évaluation de l'adhérence maximale par divers procédés, en particulier celui qui fait l'objet de la demande de brevet européen n 0 467 774. Ces procédés proposent une évaluation de l'adhérence maximale par la mesure de la quantité max(Fx/FZ), ce qui suppose que l'on doit atteindre les efforts maximaux pour pouvoir estimer l'adhérence maximale. Or, la détermination de ces efforts maximaux exige par exemple que les roues soient bloquées ou que le système ABS d'anti-blocage des roues soit enclenché. II faut donc attendre de se trouver dans ces situations d'urgence où le conducteur a atteint les limites du véhicule pour que la mesure de l'adhérence maximale puisse être effectuée. On remarquera, d'une part, que ces circonstances extrêmes ne se io produisent pas souvent, et, d'autre part, que la connaissance de l'adhérence maximale ainsi évaluée est en général tardive pour qu'elle soit d'une réelle efficacité en termes d'information du conducteur et de reparamètrage des équipements pilotés. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un procédé d'évaluation d'un coefficient pmax d'adhérence maximale d'un pneumatique d'un véhicule, comprenant des étapes de mesure de l'effort longitudinal Fx et de l'effort normal FZ appliqués au pneumatique, qui permettrait de fournir une estimation de l'adhérence maximale qui serait disponible sans avoir à attendre de repérer les efforts maximaux subis par le pneumatique dans des cas d'urgence. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes: estimation de la vitesse vr de glissement du pneumatique, - mesure des efforts longitudinal Fx et normal FZ, - calcul d'une variable interne z(t) du pneumatique au moyen de la relation: Fx(t)=(ao.z(t)+Q,.z' (t)+v2.Vr(t)) É FZ(t) où ao est la raideur longitudinale du pneumatique, o, l'amortissement 30 longitudinal du pneumatique, et 02 l'amortissement longitudinal visqueux du pneumatique, 2873811 4 - définition d'un observateur local apte à fournir une estimée zest(t) de ladite variable interne et une estimée eest(t) d'une variable e(t) au moyen des relations suivantes: Z'est(t)=vr(t)-(6oÉ Ivr(t)I/g, (ur(t)). Zest(t) K1(Z,Zest, eest). (Z-lest) 8'est(t)=-K2(Z,Zest, 8est). (Z-Zest) g'(vr(t))=g(vr(t))1e(t) g(vr(t))=pc+(ps-pc).exp(-Ivr(t)Ivsla) où pc est le coefficient de friction de Coulomb, ps le coefficient de friction statique, vs la vitesse de Stribeck et a un paramètre de calibration du modèle pneumatique, l'adhérence maximale étant définie par: pmax(t)= 1 le (t) et les fonctions K1 et K2 étant des fonctions de rétroaction assurant la convergence de la variable eest(t) vers sa valeur réelle. Ainsi, le procédé selon l'invention utilise à tout instant la connaissance de la génération dynamique de l'effort longitudinal Fx pneumatique sous effort normal FZ, à savoir la variation temporelle de l'effort longitudinal Fx par rapport à la variation temporelle de l'effort normal FZ, et ceci sans avoir à connaître les efforts maximaux, lesquels nécessitent, comme on l'a vu, des sollicitations sévères du pneumatique. Du fait que l'adhérence maximale est scrutée en permanence en fonction des signaux des capteurs donnant Fx et FZ, il est toujours possible d'en fournir une estimation en temps quasi-réel grâce au procédé, objet de l'invention. Ceci permet donc de donner des informations d'adhérence maximale suffisamment tôt au conducteur ainsi qu'aux autres systèmes pilotés, notamment l'assistance au freinage ABS, le correcteur de trajectoire ESP et la direction assistée DAE laquelle doit toujours fonctionner même hors des situations d'urgence. 2873811 5 En résumé, le procédé conforme à l'invention présente de nombreux avantages par rapport aux solutions existantes: - L'estimation de l'adhérence maximale est disponible pour chaque pneumatique. Il faut néanmoins signaler que l'invention prévoit le calcul d'une adhérence maximale moyenne des adhérences maximales de chaque pneumatique du véhicule. - L'évaluation d'adhérence maximale est liée à la dynamique d'établissement de la force longitudinale sous effort normal, celui-ci étant induit par le profil du sol, et non à la recherche du maximum de l'effort longitudinal suite à une io action du conducteur (freinage d'urgence, évitement). Le procédé de l'invention permet alors cette évaluation sans avoir à solliciter sévèrement le pneumatique. - L'estimation de l'adhérence maximale est toujours valable hors freinage ou accélération du véhicule. - Le procédé, objet de l'invention, utilise des informations provenant de capteurs d'efforts pneumatiques existants, sans nécessiter d'équipements spécifiques. Par ailleurs, un dispositif de mise en oeuvre du procédé d'évaluation selon l'invention est notamment remarquable en ce qu'il comprend des moyens d'estimation de la vitesse vr de glissement du pneumatique, des capteurs de mesure des efforts normal FZ et longitudinal Fx appliqués au pneumatique, des moyens de calcul de ladite variable interne z(t) du pneumatique, et ledit observateur local apte à fournir une valeur réelle de l'adhérence maximale pmax du pneumatique. En particulier, il est prévu par l'invention que lesdits moyens d'estimation de la vitesse vr de glissement du pneumatique comprennent des moyens de mesure de la vitesse de rotation de la roue portant le pneumatique et des moyens d'estimation de la vitesse longitudinale du véhicule. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux du dispositif conforme à l'invention, lesdits moyens d'estimation de la vitesse longitudinale du véhicule comprennent les moyens de mesure de la vitesse de rotation des roues du véhicule. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est un diagramme d'un procédé conforme à l'invention permettant une évaluation de l'adhérence maximale d'un pneumatique équipant une roue d'un véhicule automobile. La figure 2a est un schéma d'un premier mode d'implantation dans un véhicule automobile d'un dispositif d'évaluation d'adhérence maximale conforme à l'invention. La figure 2b est un schéma d'un deuxième mode d'implantation dans un véhicule automobile d'un dispositif d'évaluation d'adhérence maximale conforme à l'invention. Sur la figure 1 est illustré un procédé d'évaluation d'un coefficient d'adhérence maximale au sol d'un pneumatique d'un véhicule. D'une manière générale, ce coefficient d'adhérence maximale sera désigné par la lettre Pmax. Le procédé faisant l'objet de l'invention permet d'évaluer le coefficient d'adhérence maximale de chaque pneumatique du véhicule. Aussi, lorsque cela sera nécessaire et uniquement dans ce cas, on distinguera le coefficient d'adhérence maximale propre à chaque pneumatique i par le symbole p;. Une première étape du procédé selon l'invention est d'estimer la vitesse vr de glissement du pneumatique. Pour cela, on mesure par des moyens connus en soi, tels que les capteurs du système antiblocage ABS des roues, la vitesse w de rotation de la roue portant le pneumatique, ainsi que la vitesse longitudinale v du véhicule. On notera que la mesure de la vitesse longitudinale peut être réalisée, également via le système antiblocage ABS des roues, à partir des vitesses de rotation de chaque roue, ou par des moyens indépendants connus. A chaque instant t, un estimateur (100) de glissement du pneumatique détermine la vitesse vr(t) de glissement d'un pneumatique, laquelle est donnée par la relation: vr(t)=r.w(t)-v(t) avec r égal au rayon du pneumatique. L'estimation de la vitesse du véhicule peut être réalisée selon plusieurs méthodes qui, pour la plupart, ont en commun l'idée d'utiliser les quatre vitesses de rotation des roues pour en faire une moyenne pondérée décrivant la vitesse du véhicule. On peut alors écrire: v(t)=Zi.1,4 g1(t).r;.w;(t) où r; est le rayon de la roue i et le terme de pondération q pouvant lui-même dépendre des vitesses de rotation des roues. Un exemple de réalisation très simple est de prendre en permanence la moyenne de rotation des roues arrière, soit: v(t)=(r3. W3(t)+r4.w4(t))/2 Le vecteur h est alors égal à : ri(t)=[ 0 0 112 112] Par ailleurs, les efforts longitudinal Fx et normal FZ appliqués au pneumatique sont mesurés par des capteurs d'effort qui sont également connus en soi, notamment du brevet américain n 5,964,265 et de la demande de brevet français n 2 812 356. Une relation temporelle entre l'effort longitudinal Fx et l'effort normal FZ est fournie par un modèle dynamique particulier, appelé modèle de Lugre destiné à établir une relation donnant à chaque instant t l'effort longitudinal Fx(t) en fonction de l'effort normal FZ(t). Une présentation du modèle de Lugre est donnée dans l'article de C. Canudas- de Wit, P. Tsiotras, E. Velenis, M. Basset et G. Gessinger Dynamical Friction Models for RoadlTire Longitudinal Interaction Vehicle System Dynamics Vol. 39, n 3, pp.189-226, 2003. Le modèle de Lugre est utilisé ici de manière inverse, c'est à dire non pas pour déduire l'effort longitudinal Fx de l'effort normal FZ en fonction d'une variable interne mais pour déduire cette variable interne en fonction de la connaissance des efforts Fx et FZ. En effet, la relation entre les efforts longitudinal et normal est donnée dans le modèle de Lugre par: Fx(t)=(o-o.z(t)+a1.z'(t)+Q2.vr(t))ÉFz(t) (1) où Qo est la raideur longitudinale du pneumatique, o.1 l'amortissement longitudinal du pneumatique, a2 l'amortissement longitudinal visqueux du io pneumatique. Ces coefficients sont des constantes caractéristiques connues pour chaque pneumatique. z(t) est une variable interne au pneumatique et, conformément à l'invention, cette variable peut être déterminée à chaque instant à partir de la relation (1) puisque Fx(t), FZ(t) et vr(t) sont connues; il suffit pour cela d'utiliser un moyen de filtrage (101) qui permet de résoudre l'équation différentielle (1) reliant z(t) et sa dérivée temporelle z'(t). Dans le cas particulier où la constante a2 est prise égale à 0, la relation (1) s'écrit dans le domaine opérationnel de Laplace: L(z(t))=Z(s) =(1l(ao+a.$)).Fx(s)/FZ(s) ce qui correspond alors à un filtrage du rapport Fx/FZ. Un observateur (102) local utilise ensuite les variables d'entrée que sont la vitesse vr(t) de glissement et la variable interne z(t) pour former une boucle de rétroaction assurant la convergence de l'adhérence maximale pmax à partir des relations suivantes: z'est (t)=vr(t)-(QoÉ I vr(t) I/g' (vr(t)) É zest(t) K, (z, test, eest) . (z-Zest) e'est(t)=-K2(Z, Zest,eest). (Z-Zest) g'(vrr(t))=g(vr(t))/e(t) g(vr(t))=lpc+(ps-pc).exp(Ivr(t)/vslo) où po est le coefficient de friction de Coulomb, ps le coefficient de friction statique, vs la vitesse de Stribeck et a un paramètre de calibration du modèle pneumatique. Ce paramètre peut être identifié sur un pneumatique, il est souvent pris égal à 0,5 dans la littérature. L'adhérence maximale est définie par: =110 (t) et les fonctions K1 et K2 sont des fonctions de rétroaction assurant la 10 convergence du modèle. Dans le cadre de la méthode d'un observateur de type grand gain , ces fonctions s'écrivent: K1(Z,Zest,eest)=k1 K2 (Z, Zest, eest) = k2. eest/lest où k1 et k2 sont des constantes. Le principe de l'observateur local est d'utiliser l'erreur d'observation entre la variable z calculée et son estimée test donnée par l'observateur local pour faire converger l'estimée vers la valeur réelle et également pour faire converger la variable Aest(t) vers sa valeur réelle. L'estimation d'adhérence maximale est actualisée en temps réel au moyen des informations délivrées par les différents capteurs. Si nécessaire, il est possible d'effectuer une moyenne sur les 25 coefficients p; d'adhérence maximale de chaque roue i, par exemple une moyenne arithmétique du type: Amoy= l /4Epi Les figures 2a et 2b montrent un dispositif de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention comprenant des ensembles 10, 20, 30, 40 de capteurs situés aux quatre roues 1, 2, 3, 4 du véhicule. Ces ensembles 10, 20, 30, 40 comprennent des capteurs de vitesse w de rotation des roues qui 2873811 io peuvent être intégrés au système antiblocage ABS de chaque roue, ainsi que des capteurs d'efforts destinés à mesurer les forces longitudinale FX et normale FZ appliquées à chaque pneumatique. Dans le mode de réalisation de la figure 2a, quatre calculateurs locaux 11, 21, 31, 41 associées à chaque roue 1, 2, 3, 4 fournissent chacun une valeur du coefficient p; d'adhérence maximale du pneumatique correspondant au moyen du procédé d'évaluation qui a été décrit plus haut. Ces quatre calculateurs dialoguent avec un calculateur central 5 qui dialogue lui-même avec les autres calculateurs du véhicule via le bus 6. io Dans le mode de réalisation de la figure 2b, un calculateur unique 5' héberge l'ensemble des moyens de calcul nécessaires et assure la communication avec les autres calculateurs du véhicule via le bus 6. 1l REVENDICATIONS 1. Procédé d'évaluation d'un coefficient lamai d'adhérence maximale d'un pneumatique d'un véhicule, comprenant des étapes de mesure de l'effort normal FZ et de l'effort longitudinal Fx appliqués au pneumatique, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes: estimation de la vitesse vr de glissement du pneumatique, - mesure des efforts longitudinal Fx et normal FZ, io - calcul d'une variable interne z(t) du pneumatique au moyen de la relation: Fx(t)=(Qo. z(t)+a'1.Z'(t)+Q2.vr(t)) É Fz(t) où Qo est la raideur longitudinale du pneumatique, a1 l'amortissement 15 longitudinal du pneumatique, et 02 l'amortissement longitudinal visqueux du pneumatique, - définition d'un observateur local apte à fournir une estimée zest(t) de ladite variable interne et une estimée 8est(t) d'une variable 0(t) au moyen des relations suivantes: z'est(t)=vr(t)-(aoÉ Ivr(t) Ilg' (vr(t)) ÉZest(t) K1(z,zest, eest). (Z-lest) O'est(t)=-K2(z, zest, eest). (Z-lest) g' (vr(t))=g (ur(t) )l0 (t) g(vr(t))=lao+(las lao).exp(-Ivr(t)lvslo) où pe est le coefficient de friction de Coulomb, ps le coefficient de friction statique, vs la vitesse de Stribeck et a un paramètre de calibration du modèle pneumatique, l'adhérence maximale étant définie par: Nmax(t)=1 /0(t) et les fonctions K, et K2 étant des fonctions de rétroaction assurant la convergence de la variable 6est(t) vers sa valeur réelle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites fonctions de rétroaction sont données par: K1 (z, zest, 8est)= k, K2(Z, Zest, eest)=k2. eest/lest où k, et k2 sont des constantes. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le coefficient a2 est pris égal à 0, la variable interne z(t) étant obtenue par filtrage du rapport Fx/FZ. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de calcul d'un coefficient (pmoy) d'adhérence maximale moyen des coefficients (p;) d'adhérence maximale de chaque pneumatique du véhicule. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le coefficient (pmoy) d'adhérence maximale moyen est la moyenne arithmétique des coefficients (p;) d'adhérence maximale de chaque pneumatique. 6. Dispositif de mise en uvre du procédé d'évaluation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'estimation de la vitesse vr de glissement du pneumatique, des capteurs de mesure des efforts normal FZ et longitudinal Fx appliqués au pneumatique, des moyens de calcul de ladite variable interne z(t) du pneumatique, et ledit observateur local apte à fournir une valeur réelle de l'adhérence maximale (pmax) du pneumatique. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'estimation de la vitesse vr de glissement du pneumatique comprennent des moyens de mesure de la vitesse (w) de rotation de la roue portant le pneumatique et des moyens d'estimation de la vitesse longitudinale (v) du véhicule. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'estimation de la vitesse longitudinale (v) du véhicule comprennent les moyens de mesure de la vitesse (w) de rotation des roues du véhicule. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de calcul d'un coefficient (pn,oy) d'adhérence maximale moyen des coefficients (pi) d'adhérence maximale de chaque pneumatique du véhicule.