Brevet FR2919557A3 — publié le 20090206

FR 2919557 A3 20090206 FR 0756854 A 20070731 L'invention concerne les systèmes anti-blocage des roues d'un véhicule comprenant un dispositif de freinage découplé mécaniquement. La sécurité active des véhicules est actuellement un enjeu majeur du monde automobile, et dans ce contexte, le freinage piloté constitue une problématique importante. Ainsi, en plus des nombreux dispositifs déjà répandus dans le domaine de la sécurité, tels que les systèmes anti-blocage des freins (ABS, pour Anti-lock Braking System ), les systèmes de contrôle de trajectoire (ou programme de stabilité électronique ESP, pour Electronic Stability Program), ou encore l'aide au freinage d'urgence (AFU), les constructeurs automobiles proposent des prestation dite de confort , telles que l'aide au démarrage en côte, ou le contrôle de la décélération du véhicule en fonction de son état. Ces prestations sont rendues possibles par le développement sur les véhicules de dispositifs de freinage (connus sous le nom de dispositifs by wire ), dans lesquels la pédale de frein actionnée par un conducteur et le moyen d'actionnement des freins sont complètement découplés mécaniquement. Un tel découplage mécanique entre la pédale de frein et l'actionneur des moyens de freinage permet entre autres d'améliorer les performances des systèmes de freinage dits de bas niveau , notamment l'anti-blocage des roues. Il est en effet possible de réguler finement le glissement de chaque roue en pilotant le couple de freinage qui lui est appliqué. On connaît déjà de tels systèmes anti-blocage. Par exemple, la demande de brevet US 6,616,250 présente un procédé de contrôle des performances d'un véhicule lorsque des efforts sont appliqués sur les roues du véhicules, comprenant une étape au cours de laquelle on met en oeuvre des variables de contrôle qui permettent de déterminer et de modifier la pression appliquée par les freins sur les roues du véhicule. Ce dispositif utilise notamment l'effort mesuré au niveau des roues, ainsi que la vitesse des roues et/ou une vitesse de référence du véhicule. Néanmoins, le dispositif proposé a l'inconvénient majeur d'être fondé sur des logiques de machines à états, c'est-à-dire sur des raisonnement quantitatifs qui ne permettent pas de corriger en continu l'application de la pression par les étriers, et qui ne mettent par ailleurs pas en oeuvre les méthodes d'automatique modernes. Une conséquence est que le procédé de la demande est sujette aux incertitudes du système et complexe à mettre en oeuvre. Afin de pallier les inconvénients de la technique antérieure et d'améliorer la sécurité active sur les véhicules, l'invention a pour but de proposer un système anti-blocage de roues d'un véhicule capable de réguler finement et simplement le glissement des roues. Un autre objectif de l'invention est de proposer un procédé de contrôle du blocage des roues d'un véhicule qui soit robuste aux incertitudes du système de freinage, en permettant de rejeter des perturbations du système, telles que les variations d'adhérence, ou les variations de la rigidité des pneumatiques. Un autre objet de l'invention est de proposer un véhicule comprenant un système anti-blocage de roues qui soit efficace quels que soient l'effort de freinage appliqué aux roues et les conditions d'adhérence des roues sur la route. Enfin, un objectif de l'invention est de proposer un procédé de contrôle du blocage des roues d'un véhicule qui garantisse des marges de stabilité au 25 système de freinage. Pour cela, l'invention propose un système anti-blocage de roues d'un véhicule, comprenant un dispositif de freinage découplé mécaniquement composé notamment d'une pédale de frein, d'un calculateur et de quatre étriers de freinage, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de 30 correction qui calculent la valeur du glissement de chaque roue par rapport au sol, et qui, lorsque le glissement d'au moins une roue par rapport au sol dépasse un seuil donné, limitent la valeur de la consigne de freinage, calculée par un calculateur du dispositif de freinage à partir de la consigne de décélération du véhicule, à une pression de freinage déterminée en fonction de paramètres physiques du véhicule. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, au regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - La figure 1 présente l'architecture simplifiée d'un système anti-blocage des roues d'un véhicule selon l'invention, - La figure 2 est une courbe générale représentant le coefficient d'adhérence longitudinale d'un pneumatique par rapport au sol en fonction du glissement relatif de la roue. La figure 3 présente un schéma d'un moyen de correction du glissement d'une roue selon l'invention, - La figure 4 présente un moyen de correction de la vitesse d'une roue selon l'invention. Nous traiterons de préférence le cas de la technologie de freinage électromécanique. Bien évidemment, un tel système est parfaitement adaptable à d'autres technologies de freinage découplé, tels que les systèmes de freinage électrohydrauliques. Nous allons dans un premier temps décrire, de manière simplifiée, l'architecture générale d'un dispositif de freinage mécaniquement découplé. Un tel dispositif comprend notamment : - une commande de frein, avantageusement une pédale de frein, équipée d'un capteur de position permettant de détecter et de mesurer l'enfoncement de la pédale par un conducteur, - quatre étriers de freinage, ici des étriers de freinage électromécaniques, qui reçoivent des consignes de freinage à appliquer à chaque roue, - un calculateur, dont la fonction est d'élaborer les consignes de 5 freinage à envoyer à chaque étrier à partir de la consigne de décélération de la commande de frein. Dans le cadre de l'invention, chaque étrier de freinage comprend de préférence un calculateur chargé d'asservir l'effort de freinage à la consigne reçue. 10 L'architecture simplifiée du procédé de l'invention est présentée figure 1. Elle comprend, de manière classique, cinq blocs. Un premier bloc 1 est prévu pour l'acquisition et le traitement des signaux d'entrée, à savoir : 15 -la mesure de l'enfoncement de la pédale de frein, X_pédale, - la mesure de l'accélération longitudinale du véhicule, Acc_longi, la mesure de l'accélération transversale du véhicule, Acc_laterale, - la mesure de la vitesse de rotation de la roue ij, V_roueij, où i = 1 pour une roue avant, i = 2 pour une roue arrière, j = 1 pour une roue gauche et j = 20 2 pour une roue droite. Nous garderons cette convention dans toute la suite de la description. Un deuxième bloc 2 a pour fonction de traduire la mesure de l'enfoncement de la pédale X_pédale en une consigne de décélération Cons_Deceleration. Le signal est élaboré de manière conventionnelle, par 25 exemple à partir d'une cartographie à une dimension de la pédale de frein. Ce signal Cons_Deceleration est alors envoyé au bloc 3. Le bloc 3 calcule alors, à partir de cette consigne de décélération Cons Deceleration, de l'accélération longitudinale Acc_longi et de l'accélération transversale Acc_laterale, la consigne d'effort de serrage 30 Cons P ABS IN ij (ou consigne de freinage) pour chacun des quatre étriers, de manière à répartir les efforts en optimisant le potentiel de freinage de chaque roue. Un quatrième bloc 4 réalise le calcul de la vitesse longitudinale V_ref du véhicule. Les quatre blocs décrits précédemment sont connus de l'homme du métier et ne seront pas davantage décrits. Dans un cinquième bloc 5, objet de l'invention, des moyens de correction corrigent la valeur des consignes de freinage Cons_P_ABS_IN_ij de chaque étrier de manière à limiter le glissement des roues et leur blocage éventuel, en optimisant leur adhérence. Les consignes de freinage Cons_P_ABS_OUT_ij issues du bloc 5 sont alors transmises par un sixième bloc 6 aux étriers de freinage par l'intermédiaire de liaisons filaires ou d'un bus de communication sécurisé. Le principe général de l'invention est de réguler la vitesse de chaque roue afin qu'elle ne glisse pas par rapport au sol, ou pire, qu'elle se bloque lorsqu'une consigne de freinage est trop forte. En effet, comme on peut le constater sur la figure 2, qui représente l'évolution du coefficient d'adhérence longitudinale du pneumatique par rapport au sol en fonction du glissement Sx du pneumatique, le glissement d'un pneumatique augmente en valeur absolue depuis une valeur très faible, correspondant à une action de freinage faible, jusqu'à une valeur de glissement Sxmax. Dans cette plage, le glissement est stable : l'écart entre la vitesse longitudinale du véhicule et la vitesse des roues est faible (généralement inférieur à 5%). Au-delà de cette valeur de glissement Sxmax, le pneumatique entre dans une zone de glissement instable dans laquelle le couple transmis à la roue diminue en valeur absolue au fur et à mesure que le glissement augmente. Ainsi, plus la pression de freinage appliquée au niveau des étriers augmente, plus l'écart entre la vitesse longitudinale du véhicule et la vitesse de la roue augmente : l'adhérence entre le pneumatique et le sol diminue et la roue glisse. L'efficacité de freinage est donc considérablement réduite. II faut donc, au moyen du système anti-blocage des roues, maintenir le glissement de chaque roue au plus près de la valeur de glissement Sxmax, pour laquelle le couple transmis par la roue est optimal. Pour cela, le bloc 5 calcule la valeur du glissement, et limite la pression de freinage de consigne calculée par le calculateur du dispositif de freinage lorsque le glissement d'au moins une roue par rapport au sol dépasse un seuil déterminé, de telle sorte que l'écart entre la vitesse longitudinale du véhicule et la vitesse des roues ne dépasse pas un seuil déterminé, qui dépend bien entendu de la valeur du glissement optimal Sxmax. En outre, le bloc 5 maintient la vitesse de chaque roue V_roueij au-dessus d'une vitesse déterminée, qui est calculée à partir de la vitesse du véhicule V_ref et de la consigne de freinage Cons_Deceleration, afin d'optimiser l'adhérence des roues avec la route. Avantageusement, la vitesse déterminée est un pourcentage déterminé de la vitesse du véhicule compris de préférence entre 90% et 95%. En effet, le glissement relatif Sx de la roue est défini comme suit : S x = R S2r ù V ref V ref où R est le rayon de la roue, Dr est la vitesse d'une roue en rad/s, V_ref est la vitesse longitudinale du véhicule en m/s. Ainsi, le bloc 5 comprend des moyens de correction d'une consigne appliquée en entrée, de préférence au niveau de chaque étrier, et indépendamment les uns des autres. Avant de détailler les moyens de correction, nous allons rappeler quelques principes de mécanique générale. Pour cela, on considère dans un premier temps l'hypothèse simplificatrice selon laquelle les efforts de freinage transmis au sol par les quatre pneumatiques sont identiques. Alors, en notant s l'opérateur de Laplace, les équations de la dynamique pour le véhicule et pour une roue s'écrivent : ms V ref = -4Fr û fvs V ref Jt.s2e = Cmot û Cfr + RFr Cfr = - Kbrk(t) . Fc(t) où : m est la masse du véhicule en kg, Jt est l'inertie totale du système roue en rotation en m2.kg, Cmot est le couple d'entraînement (pour les roues motrices) en N.m, Fr est l'effort de freinage transmis par le pneu à la route en N fv est le coefficient de frottement visqueux global en N.m/s, Or est l'angle de la roue en radians, Cfr est le couple de freinage en N.m, Kbrk(t) est lié à l'efficacité de freinage qui peut fortement varier en fonction de l'usure et de la température), Fc(t) est l'effort appliqué au niveau de l'étrier. On suppose par ailleurs que lors du freinage, le moteur est débrayé (Cmot = 0), et que les frottements visqueux sont négligeables devant les efforts de freinage. On obtient alors le modèle simplifié de la dynamique de la roue suivant : Jt.s20 =ùCfrùR msV ùref 4 En notant Sa le glissement absolu de la roue, ie la différence entre la vitesse de la roue et celle du véhicule, Sa = R S2r ù V _ref , l'équation devient alors : (Jt + mR 2 )s 2 e = ùCfr + 4 sSa Cette équation est valable que le pneumatique soit en glissement stable (Sx Sxmax). Dans le domaine de glissement stable du pneumatique, le glissement mR sSa absolu Sa de la roue est faible ainsi que sa dérivée sSa. Le terme 4 peut donc être négligé devant le terme Cfr. Le modèle simplifié de la dynamique de la roue devient alors : + mR) 2 (Jt 4 s, _e = ûCfr Il en ressort que la masse totale du véhicule contribue à l'inertie équivalente du système à contrôler. Le système est donc peu dynamique. Dans le domaine de glissement instable du pneumatique, le potentiel d'adhérence p, et par voie de conséquence, l'effort longitudinal de freinage 10 transmissible par le pneumatique, sont fortement réduits et ont une valeur très faibles (comme l'illustre notamment la figure 2). mR sSa Le terme 4 a donc une influence beaucoup moins importante que dans lorsque le pneumatique est en glissement stable, puisque l'adhérence varie très peu. Dans le cas limite d'une perte complète 15 d'adhérence du pneumatique par rapport au sol (c'est-à-dire ~` = 0 Fr = 0 ) le modèle simplifié de la dynamique de la roue devient alors : Jts2o=ùCfr La masse totale du véhicule ne contribue donc plus ici à l'inertie équivalente du système à contrôler. La valeur de l'inertie équivalente est 20 donc beaucoup plus faible qu'en cas de glissement stable du pneumatique. Ce cas limite n'est bien entendu jamais vérifié, car le potentiel d'adhérence il ne s'annule en réalité pour aucune valeur de glissement Sx. Néanmoins, sa chute dans le domaine de glissement instable du pneumatique implique une diminution importante de l'inertie du système à 25 contrôler, ce qui accroît la dynamique du système. Le couple de freinage Cfr provoquant principalement la décélération de la roue et, dans une moindre mesure, celle du véhicule.5 Ainsi, en notant u = (-Cfr) la commande de couple de freinage, le transfert du système à réguler devient : R,(s) _ SZr _ 1 u JEs où l'inertie JE du système à contrôler varie en fonction du glissement dans l'intervalle suivant : Jt L'avantage d'un tel choix réside dans le fait que la boucle fermée garantit naturellement la robustesse du système aux instabilités, en rejetant les perturbations telles que les variations d'adhérence ou de la rigidité du pneumatique, contrairement aux boucles ouvertes, qui sont généralement utilisées dans les logiques de machines à état de l'art antérieur. En effet, grâce à cette structure de commande, la vitesse de la roue est mesurée et comparée en permanence, ce qui permet au système de réagir immédiatement en cas de perturbation. Par ailleurs, le correcteur proportionnel intégral est un bon compromis 10 entre la simplicité et les performances demandées au système, et a l'avantage de nécessiter un temps de calcul réduit. Bien entendu, d'autres correcteurs peuvent être choisis ici. Néanmoins, ils seraient plus complexes et plus coûteux à mettre en oeuvre, et nécessiteraient notamment un choix précis d'actionneur, ce qui n'est pas 15 le cas du correcteur proportionnel intégral. Enfin, un inconvénient du correcteur proportionnel intégral est qu'il risque de saturer dans les situations suivantes : - lorsqu'une roue du véhicule se bloque : le système ABS doit alors annuler complètement l'effort de pression exercé par l'étrier de freinage 20 correspondant. Or la structure du correcteur proportionnel intégral est telle que ce dernier cherche à réduire encore l'effort appliqué, bien que cela ne soit plus possible. -lorsque l'écart entre la vitesse de la roue et la vitesse du véhicule est suffisamment faible pour que le glissement soit inférieur ou égal au 25 glissement optimal Sxmax (et donc que le pneumatique soit stable). Le dispositif peut alors transmettre tout l'effort de freinage aux roues, sans limitation de la consigne de freinage envoyée par le bloc 4. Or, si le correcteur proportionnel intégral est mal géré, il risque de diverger sur de courtes périodes. 30 Ces problèmes sont résolus simplement par l'ajout au système d'un dispositif anti-saturation (gel_AI) conventionnel, dont le principe est notamment illustré sur la figure 4. Le dispositif anti-saturation (gel_AI) reçoit en entrée la consigne de l'effort que le correcteur intégral souhaite transmettre à une roue (In), la consigne d'effort de serrage Cons_P_ABS_IN_ij de la roue (I_sup), et la consigne d'effort de serrage nul (I_inf). En sortie, il limite la commande envoyée par le correcteur de vitesse entre Cons_ P_ABS_ij et la valeur O. Sinon, il ne modifie pas la valeur de la consigne Cons_P_ABS_ij envoyée à la roue ij. En résumé, sa fonction est simplement de conserver la correction de freinage entre 0 et la consigne d'effort de serrage en entrée du système anti-10 blocage Cons_P_ABS_IN_ij. Le fonctionnement du dispositif anti-saturation est connu de l'homme du métier et ne sera pas davantage détaillé ici. On se référera par exemple à la figure 4, sur laquelle Err est le signal d'erreur entre la consigne de vitesse roue et la mesure, u_eff est la commande de couple de freinage réellement 15 envoyée (au cycle d'échantillonnage précédent), et RAZ AI est un signal booléen qui indique une saturation de la commande. Si ce signal est égal 1, cela signifie qu'il y a saturation : l'action intégrale du correcteur proportionnel intégral est alors gelée par le dispositif anti-saturation. 20 Pour réaliser un correcteur proportionnel intégral qui soit capable de limiter la valeur de la consigne de freinage Cons_P_ABS_IN_ij d'une roue ij à une pression de freinage Cons_P_ABS_OUT_ij, lorsque le glissement Sx de celle-ci dépasse le seuil de glissement optimal Sxmax, on tient compte de paramètres physiques du véhicule, notamment son inertie et les temps de 25 réponse des calculateurs, et des équations décrites précédemment. Dans un premier temps, on réalise le bouclage du système au moyen d'un simple correcteur proportionnel, afin de choisir la bande passante en boucle fermée souhaitée, (le gain G1 du correcteur étant lié à la bande 30 passante) La vitesse de consigne pour la roue à réguler est donnée par : Qc = (1+ gc) V_ref R où gc est la consigne de glissement souhaitée. Le transfert en boucle fermée s'écrit alors : S2r 1 _ 1 =FBF(s)= SZc 1 + J~ s 1+ Cl WC_bf où wC bfest la pulsation de coupure de la boucle fermée en rad/s. Ainsi, le gain G1 du correcteur proportionnel est relié à la bande passante Jz en boucle fermé par la relation : G 1= wc_bf . JI. Dans un deuxième temps, on ajoute une action intégrale au 10 correcteur, pour obtenir un correcteur proportionnel intégral de la forme C(s)=Kp+Ki s La relation précédente entre le gain du correcteur proportionnel et la bande passante est toujours valable pour déterminer le gain Kp du correcteur proportionnel intégral et choisir une bande passante pour le système 15 rebouclé ; le choix de Ki quant à lui est réalisé en fonction du temps de réponse des actionneurs et des marges de stabilité voulues pour le système. En notant fc_p; la fréquence de coupure de l'action intégrale, la dynamique d'un actionneur de freinage, de constante de temps T1, asservi en effort est représentée par : 1 1 F `(s)= X 1+z-,s1+r1s L'expérience montre que ce modèle linéaire est valable pour les petites amplitudes (qui correspondent typiquement à des activations de l'ABS), et que le modèle d'ordre 2 est tout à fait représentatif du système réel, pour des amplitudes d'effort inférieures à 50 bars. 20 On peut donc régler la fréquence de coupure de l'action intégrale fc_p; dans des temps très courts en tenant compte des différents retards présents dans le système, dus notamment à l'échantillonnage ou aux actionneurs. La figure 3 illustre un mode de réalisation de l'invention. Elle comprend un premier bloc 5a présentant les entrées du bloc de correction 5, à savoir les consignes de serrage des freins Cons_P_ABS_IN_ij, la vitesse de chaque roue V_roueij et la vitesse longitudinale de la voiture Vref. Les blocs 5b correspondent à l'élaboration des consignes de vitesse pour chacune des roues. Ces consignes sont identiques pour les quatre roues et valent: S2c = (1+ gc) V ref R Les blocs 5c quant à eux correspondent à l'asservissement de la vitesse des roues à la consigne de vitesse Oc.15 REVENDICATIONS 1. Système anti-blocage de roues d'un véhicule, comprenant un 5 dispositif de freinage découplé mécaniquement composé notamment d'une pédale de frein, d'un calculateur et de quatre étriers de freinage, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de correction (5) qui calculent la valeur du glissement (Sx) de chaque roue par rapport au sol, et qui, lorsque le glissement (Sx) d'au moins une roue par rapport au sol dépasse 10 un seuil (SXmax) donné, limitent la valeur de la consigne de freinage (Cons_P ABS_IN_ij), calculée par un calculateur (3) du dispositif de freinage à partir de la consigne de décélération (Cons_Decelearion) du véhicule, à une pression de freinage (Cons_P_ABS_OUT_ij) déterminée en fonction de paramètres physiques du véhicule. 15 2. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le seuil (Sxmax) correspond à la limite de glissement stable de la roue. 3. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce 20 que les paramètres physiques pris en compte par les moyens de correction comprennent au moins un élément parmi le groupe suivant : inertie de la roue avant, inertie de la roue arrière, dynamique de l'actionneur des étriers de freinage, retards dus à des échantillonnages. 25 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de correction (5) limitent la valeur de la consigne de freinage (Cons_P_ABS_IN_ij) au niveau de chaque étrier indépendamment les uns des autres. 30 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de correction (5) maintiennent en outre la vitesse dechaque roue (V_roueij) au-dessus d'une vitesse déterminée, calculée à partir de la vitesse du véhicule (V_ref) et de la consigne de freinage (Cons P ABS IN ij). 6. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la vitesse déterminée est un pourcentage déterminé de la vitesse du véhicule compris entre 90% et 95%. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 10 en ce que les moyens de correction (5) comprennent un correcteur proportionnel intégral. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif anti-saturation. 15 9. Procédé de contrôle du blocage des roues d'un véhicule comprenant un dispositif de freinage découplé mécaniquement composé notamment d'une pédale de frein, d'un calculateur et de quatre étriers de freinage, comprenant les étapes consistant à : 20 (i) acquérir des informations sur l'enfoncement de la pédale de frein (X_pedale) du véhicule, l'accélération longitudinale (Acc_longi) du véhicule, l'accélération latérale (Acc laterale) du véhicule, et la vitesse de rotation de chaque roue (V_roueij) du véhicule, (ii) traiter les information sur l'enfoncement de la pédale de frein 25 (X_pedale) du véhicule, l'accélération longitudinale (Acc_longi) du véhicule, l'accélération latérale (Acc_laterale) du véhicule, et la vitesse de rotation de chaque roue (V_roueij) du véhicule, (iii) générer une consigne de décélération du véhicule (Cons_Deceleration), à partir des informations précédentes,(iv) calculer les consignes d'efforts de serrage (Cons_P_ABS_IN_ij) des quatre étriers de freinage à partir de la consigne de décélération (Cons_Deceleration) du véhicule, (v) calculer la vitesse longitudinale du véhicule (V_ref) à partir de la vitesse de rotation d'au moins une des roues (V_roueij) du véhicule, (vii) envoyer les consignes de serrage (Cons_P_ABS_OUT_ij) aux quatre étriers de freinage, caractérisé en ce que l'étape (vii) est précédée d'une étape (vi) au cours de laquelle le procédé limite l'effort de freinage au niveau de chaque étrier de telle sorte que la vitesse de chaque roue soit supérieure ou égale à une vitesse déterminée. 10. Procédé de contrôle du blocage des roues d'un véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la vitesse déterminée est calculée à partir de la vitesse du véhicule (V_ref) et de la consigne de décélération (Cons_Deceleration).