Brevet FR2927601A3 — publié le 20090821

FR 2927601 A3 20090821 FR 0800893 A 20080219 L'invention concerne un procédé de fonctionnement d'un système de direction de véhicule automobile du type à commande électrique dit steer-by-wire . L'invention concerne aussi un système de direction de véhicule automobile du type à commande électrique et mettant en oeuvre un tel procédé. Historiquement, les systèmes de direction des véhicules automobiles fonctionnaient exclusivement grâce aux efforts qu'exerçait le conducteur sur un volant de direction. Ces efforts sur le volant étaient transmis à un arbre appelé colonne de direction et muni à son extrémité d'un pignon engrenant avec une crémaillère. La rotation de cette colonne entraînait donc un mouvement de translation de la crémaillère. Un système de timonerie à chaque extrémité de la crémaillère permettait d'orienter des roues du véhicule automobile en réponse à ce déplacement de la crémaillère. Il a ensuite été imaginé, en conservant la structure mécanique de base du système de direction décrit précédemment, d'ajouter des moyens hydrauliques d'assistance à la manoeuvre du volant de direction pour améliorer l'agrément de conduite. Pour remédier à certains inconvénients notamment d'encombrement et de fiabilité, il a été imaginé un système de direction assistée dans lequel l'assistance est obtenue par un actionneur électrique. Un tel système est connu sous le nom de direction assistée électrique. Pour aller encore plus loin dans l'optimisation de l'encombrement du système de direction, mais aussi autoriser de nouvelles prestations en termes d'interface homme-machine, de sécurité et d'agrément de conduite, il a été imaginé un système de direction à commande électrique dit Steer-by-wire où la commande de direction est transmise par un signal électrique émis sur des fils électriques. Ainsi, la position angulaire MS\REN061 FR.dpt du volant est traduite par un signal de commande transmis sur des fils électriques et commandant un moteur électrique agissant sur les roues pour les positionner dans la position de braquage correspondant à la position du volant. Ce système de direction permet un découplage mécanique du volant de direction du train avant et des roues. Il présente des avantages multiples. Une liste exhaustive de ces avantages réellement envisageables n'est pas possible en l'état actuel. Cependant, certains bénéfices évidents peuvent être cités. Notamment : la suppression du lien mécanique entre le volant et le train avant permet de considérablement simplifier les systèmes. La flexibilité en termes d'architecture et d'ergonomie s'en trouve améliorée, l'assemblage est simplifié. De même, le poids et le coût du système sont diminués. Enfin, la fiabilité est censée elle-aussi être améliorée ; la disparition du circuit hydraulique de direction assistée est plus en accord avec les contraintes environnementales et écologiques ; l'interface électrique entre les systèmes et les commandes fournies au conducteur facilite la mise en oeuvre de contrôles actifs (contrôle de trajectoire, évitements) et apporte un gain en performance. Par exemple, les applications d'accélérateur électronique, la suppression de lien mécanique a permis de diminuer la consommation en carburant et d'améliorer le confort de conduite en supprimant les à-coups de transmission. En revanche, si de nouvelles fonctionnalités peuvent être envisagées, un certain nombre de nouveaux problèmes et nouvelles difficultés apparaissent. La principale difficulté du système de direction à commande électrique réside dans sa capacité à reproduire les sensations de conduite MS\REN061 FR.dpt indispensables à la bonne maîtrise d'un véhicule. En effet, les sensations perçues par le conducteur par l'intermédiaire du volant ont une part capitale dans son aptitude à diriger le véhicule. Le caractère hautement subjectif d'un système de direction classique (direction à assistance hydraulique ou électrique) rend la définition d'un cahier des charges extrêmement difficile. Un système de direction à commande électrique comprend principalement deux actionneurs (classiquement des moteurs électriques) : • un actionneur de restitution chargé d'appliquer un couple de restitution d'effort sur le volant ; c'est ce couple qui permet de reproduire des sensations que le conducteur aurait avec une direction classique, telles qu'une résistance à la rotation du volant et un couple de rappel dû notamment à la chasse du train avant sur un système de direction traditionnel ; ce couple de restitution d'effort est classiquement piloté par un calculateur au minimum à partir de l'information de position angulaire du volant ; • un actionneur de braquage chargé d'appliquer un couple de braquage à la crémaillère de direction pour faire braquer les roues en suivant l'angle du volant (à un facteur de réduction près) ; ce couple de braquage est classiquement piloté par un calculateur mettant en oeuvre un asservissement assez classique dans lequel la grandeur de consigne est la position angulaire du volant et la commande est le couple de braquage. En réalité, les deux fonctions de commande assurées par les deux calculateurs peuvent bien entendu être regroupées dans un seul calculateur si celui-ci est doté d'une capacité de traitement suffisante. La restitution d'effort au volant est classiquement réalisée à partir de trois grandeurs : la position angulaire du volant, la vitesse du véhicule et le MS\REN061 FR.dpt moment d'auto-alignement des roues (dû notamment à la chasse). La difficulté provient du fait que le système est un système inter dépendant : en effet la qualité du retour d'effort est influencée non seulement par la loi de commande de restitution mais aussi par la loi de commande de braquage. On connaît de la demande US 2004/0039507A1 une stratégie de restitution d'effort basée sur un modèle de référence. Cependant, la conception fait appel à des techniques d'automatique complexe (Hinfini) : ces techniques conduisent souvent à des correcteurs d'ordre élevés. Par ailleurs, la structure ne fait pas apparaître clairement le modèle de référence. Celui-ci n'est présent qu'à la phase de synthèse des correcteurs. Le but de l'invention est de fournir un procédé de fonctionnement d'un système de direction obviant aux inconvénients évoqués précédemment et améliorant les procédés de fonctionnement connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un procédé de fonctionnement présentant une structure simple et facilement évolutive. En effet, un concepteur peut facilement enrichir le procédé, la commande étant alors immédiatement mise à jour. En outre, la structure est bien adaptée à la problématique de retour d'effort au volant. Le but de l'invention est encore de fournir un système de direction mettant en oeuvre un tel procédé. Selon l'invention, le procédé de fonctionnement d'un système de direction à commande électrique d'un véhicule automobile est caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'établissement d'une valeur de position d'un organe de commande de direction à partir d'une valeur d'action mécanique appliquée sur l'organe de commande de direction, l'étape d'établissement étant réalisée en utilisant un modèle de référence. MS\REN061 FR.dpt Le modèle de référence peut comprendre des termes correspondant à des phénomènes physiques. Le modèle de référence peut comprendre un terme inertiel et/ou un terme de frottement sec et/ou un terme de frottement visqueux et/ou un terme de raideur et/ou un terme d'action mécanique appliquée sur l'organe de commande de direction par un conducteur. Le modèle de référence peut comprendre un terme d'action mécanique appliquée sur des roues directrices et ramenée au niveau de l'organe de commande de direction. Le terme d'action mécanique appliquée sur des roues directrices peut être ramenée au niveau de l'organe de commande de direction par une logique de restitution dépendante de la situation dans laquelle se trouve le véhicule. Le modèle de référence peut varier en fonction d'au moins un paramètre. L'au moins un paramètre peut comprendre la vitesse du véhicule automobile. L'au moins un paramètre peut comprendre la position de l'organe de 25 commande de direction. La valeur de l'action mécanique appliquée sur l'organe de commande de direction par le conducteur peut être estimée ou mesurée. 30 On peut utiliser la valeur de position de l'organe de commande de direction pour établir une consigne de commande d'un actionneur appliquant une action mécanique sur l'organe de commande de direction et/ou on peut utiliser la valeur de position de l'organe de commande de MS\REN061 FR.dpt20 direction pour établir une consigne de commande d'un actionneur appliquant une action mécanique sur des roues directrices du véhicule automobile. Selon l'invention, le système de direction à commande électrique d'un véhicule automobile comprend des moyens matériels et logiciels de mise en oeuvre du procédé de fonctionnement défini précédemment. Selon l'invention, le véhicule automobile comprend un système de direction défini précédemment. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'un système de direction selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'un système de direction selon l'invention, La figure 2 est un schéma bloc de la structure électronique de commande des actionneurs d'un système de direction selon l'invention. La figure 3 est un schéma bloc d'un premier mode de réalisation de structure électronique d'un modèle de référence utilisé dans l'un des blocs (bloc 30) de la structure électronique de commande des actionneurs selon la figure 2. La figure 4 est un schéma bloc d'un deuxième mode de réalisation de structure électronique d'un modèle de référence utilisé dans l'un des blocs (bloc 30) de la structure électronique de commande des actionneurs selon la figure 2. MS\REN061 FR.dpt 25 30 Le système 1 de direction de véhicule automobile représenté à la figure 1 comprend principalement un premier dispositif 50 appelé restitueur et permettant d'appliquer des actions mécaniques sur un organe de commande de direction et un deuxième dispositif 80 appelé système de braquage . Le restitueur comprend un organe de commande de direction 2 tel qu'un volant de direction en liaison mécanique avec un actionneur 4 dit de restitution d'effort par exemple par l'intermédiaire d'un arbre 3. Cet actionneur 4 est piloté par un calculateur 5. Le système de braquage comprend un train directeur comprenant des roues directrices 10 (une seule représentée) en liaison mécanique avec un actionneur 7 dit de braquage par exemple par l'intermédiaire d'un système pignon-crémaillère 8 et d'un système de timonerie 9. Cet actionneur 7 est piloté par le calculateur 5. Les actionneurs sont par exemple des moteurs électriques comme des moteurs électriques à courant continu. Le calculateur agit sur les actionneurs en leur fournissant des consignes de couple représentées par les flèches 11 et 12. Ces consignes permettent par exemple de déterminer les caractéristiques électriques du signal alimentant les actionneurs pour obtenir les couples escomptés. Les systèmes (restitueur et système de braquage) commandés fournissent au calculateur diverses informations détaillées plus bas et représentées par les flèches 13 et 14, notamment la position angulaire du volant de direction, le couple mécanique appliqué sur le volant et la position angulaire de braquage des roues. MS\REN061 FR.dpt Le calculateur comprend des moyens logiciels permettant de régir le procédé de fonctionnement du système de direction objet de l'invention. Ces moyens logiciels sont décrits ci-dessous en détail. Ils peuvent notamment être mis en oeuvre par des programmes informatiques contenus et exécutés dans le calculateur. La structure de commande du restitueur et du système de braquage, représentée à la figure 2, comprend différents blocs : Un premier bloc 30 appelé Modèle de référence détermine une valeur de position angulaire du volant appelée Angle_volant_ref en fonction d'une valeur de couple appliqué sur le volant appelée Couple_conducteur ; cette valeur de position angulaire du volant constitue le comportement désiré pour le système de direction. C'est donc dans ce bloc, qu'est modélisé tout le comportement dynamique souhaité pour le véhicule. Un deuxième bloc 40 appelé Correcteur de_position_restitution détermine une valeur de consigne de couple pour le restitueur appelée Couple_restitueur en fonction de la position angulaire du volant Angle_volant_ref et en fonction d'une valeur de position angulaire mesurée du volant appelée Angle_volant ; cette valeur de consigne est fournie au restitueur ; ce bloc réalise l'asservissement de la position angulaire du volant. II peut s'agir d'un asservissement classique d'un système électromécanique et différentes stratégies peuvent être utilisées. La plus simple à réaliser est sans doute une structure à boucles imbriquées : boucle de vitesse incluse dans une boucle de position. D'autres stratégies peuvent aussi être utilisées. Ce bloc élabore en sortie le signal de commande du moteur de restitution : c'est donc grâce à cet asservissement que le conducteur obtient le retour d'effort (ou de couple) lors des manoeuvres sur le véhicule. MS\REN061 FR.dpt Un troisième bloc 60 appelé Fonctions Controle_de_Trajectoire détermine une valeur de position de braquage de roues appelée Angle_roues_ref en fonction de la valeur de position angulaire du volant Angle_volant_ref ; Ce bloc réalise l'élaboration de la consigne de position pour le système de braquage des roues. En mode nominal la fonction réalisée est décrite par l'équation : Angle_roues_ref = Demul(V) x Angle_volant_ref (Eq. 1) dans laquelle, Demul(V) correspond au rapport de démultiplication souhaité. Pour obtenir un véhicule maniable, il peut être intéressant de faire varier cette démultiplication en fonction de la vitesse du véhicule (notée V). Un quatrième bloc 70 appelé Correcteur _de_position_braquage détermine une valeur de consigne de couple pour le système de braquage appelée Couple_braquage en fonction de la position angulaire de braquage des roues Angle_roues_ref et en fonction d'une valeur de position angulaire mesurée de braquage de roues appelée Angle_roues ; cette valeur de consigne est fournie au système de braquage ; ce bloc réalise l'asservissement de la position angulaire de braquage des roues. Il peut s'agir d'un asservissement classique d'un système électromécanique et différentes stratégies peuvent être utilisées. La plus simple à réaliser est sans doute une structure à boucles imbriquées : boucle de vitesse incluse dans une boucle de position. D'autres stratégies peuvent aussi être utilisées. II élabore en sortie le signal de commande du moteur de système de braquage. Ainsi, le restituteur reçoit un couple appliqué par le conducteur 20 sur le volant et la consigne de couple Couple_restituteur issu du bloc 40. En sortie, deux capteurs permettent de fournir deux mesures : la position MS\REN061 FR.dpt angulaire mesurée du volant Angle_volant et la mesure du couple appliqué par le conducteur sur le volant Couple_conducteur . Alternativement, les valeurs d'un ou plusieurs de ces paramètres peuvent être estimées. Le système de braquage reçoit quant à lui la consigne de couple de braquage de roues Couple_braquage . En sortie, un capteur permet de fournir la position angulaire mesurée de braquage des roues. Alternativement, la valeur de ce paramètre peut être estimée. 10 Un premier mode de réalisation du premier bloc 30 est décrit ci-après en référence à la figure 3. Le but de ce bloc est de réaliser un comportement proche de celui que 15 l'on retrouve sur un véhicule classique (avec une colonne de direction et direction assistée). On impose alors au système de direction la dynamique suivante: Jref s2 0 + Kv(V) s 0 + Kp(V, 0) A + Csec(V, 8) sgn(s0) = Ccond (Eq. 2) où : Ccond est le couple appliqué sur le volant par le conducteur 20 Couple_conducteur , s correspond à l'opérateur de Laplace, 0 correspond à l'angle volant Angle_volant_ref , sgn(x) désigne la fonction signe (renvoie 1 si x >_0, renvoie -1 si x Kp(V, 0) 0 : correspond à un couple du type raideur : le couple ressenti est proportionnel à l'angle volant. Le coefficient de raideur Kp(V,0) varie avec la vitesse véhicule et avec l'angle volant lui-même. Ce terme est important car il définit directement le mode de pendulage du véhicule et le couple de rappel qui s'exerce sur le volant pendant et en sortie de virage. Ce couple de réaction est faible pour les faibles vitesses du véhicule de manière à faciliter les manoeuvres pour le conducteur. En revanche, lorsque la vitesse est importante, le couple de réaction augmente de manière à durcir le volant. Csec(V, 0) sgn(s0) : correspond à un frottement sec réglable. Ce terme est également variable avec la vitesse du véhicule et avec l'angle du volant lui-même. Un premier opérateur 100 permet d'effectuer un bilan de couples traduisant l'équation Eq. 2 décrite plus haut. Un amplificateur 110 permet de faire intervenir l'inertie Jref évoquée précédemment. Le signal obtenu est ensuite intégré au niveau d'un premier intégrateur 120 puis d'un deuxième intégrateur 130. Les signaux issus du premier intégrateur et du deuxième intégrateur sont utilisés dans un opérateur 140, notamment avec une information de vitesse du véhicule pour établir le terme Csec(V, 0) sgn(s0) qui est utilisé dans l'opérateur 100. Le signal issu du premier intégrateur est utilisé dans un opérateur 150, notamment avec une information de vitesse du véhicule pour établir le terme Kv(V) s 0 qui est utilisé dans l'opérateur 100. Le signal issu du deuxième intégrateur est utilisé dans un opérateur 160, notamment avec une information de MS\REN061 FR.dpt vitesse du véhicule pour établir le terme Kp(V, 0) e qui est utilisé dans l'opérateur 100. Le signal issu du deuxième intégrateur est la valeur de position angulaire 5 de référence du volant Angle_volant_ref . Les quatre opérateurs 110, 140, 150 et 160 peuvent être modifiés pour régler le comportement du système de direction en fonction du ressenti souhaité par le conducteur. Chaque opérateur peut être modifié de 10 manière indépendante des autres pour régler les différentes composantes du système de direction, respectivement, la composante d'inertie, la composante de frottement sec, la composante de frottement visqueux et la composante de raideur. 15 Un deuxième mode de réalisation du premier bloc 30 est décrit ci-après en référence à la figure 4. Ce deuxième mode de réalisation permet de tenir compte des efforts (ou couples) réels appliqués au niveau des roues par l'actionneur de 20 braquage. II est en effet possible de souhaiter dans certaines situations restituer tout ou partie de ces efforts au conducteur. (Cela permet notamment de reproduire le comportement d'un système de direction traditionnelle à assistance variable). La structure de commande de type modèle de référence permet également de réaliser cette fonction. Ainsi, 25 les opérateurs 210, 220, 230, 240, 250 et 260 de la structure de commande sont identiques aux opérateurs 110, 120, 130, 140, 150 et 160 de la structure de la figure 3. En revanche, l'opérateur 200 comprend, par rapport à l'opérateur 100, une entrée supplémentaire pour tenir compte du couple de braquage des roues ramené au niveau du 30 volant Couple_resistant . MS\REN061 FR.dpt Pour ce faire, un amplificateur 270 et une logique de restitution 280 traitent le signal de couple résistant au braquage au niveau des roues Couple_resistant_roues pour le ramener à un couple au niveau du volant Couple_résistant . Le couple résistant au braquage au niveau des roues peut être mesuré ou estimé. Le signal de couple au niveau du volant Couple_résistant peut être le résultat d'une logique de situation et d'un calcul de filtrage éventuel. Par exemple, on peut de cette manière avertir le conducteur d'une arrivée en butée sur un trottoir (notamment par une forte augmentation du couple résistant), ou inversement avertir le conducteur lors d'un virage sur une adhérence faible (notamment par une chute de couple résistant). Ces stratégies non détaillées ici sont représentées par la logique de restitution. Ainsi, l'invention proposée est basée sur une stratégie de modèle de référence permettant à partir d'une mesure ou d'une estimation du couple conducteur, d'élaborer le signal de position angulaire du volant Angle_volant_ref , qui constitue une base de comportement désiré pour le système de direction. C'est donc dans ce modèle de référence qu'est modélisé tout le comportement dynamique souhaité pour le véhicule et, notamment, pour le système de direction. En effet, cette grandeur Angle_volant_ref une fois obtenue, est envoyée aux deux correcteurs 40 et 70 chargés de réaliser les consignes de couple de pilotage des actionneurs du système de direction. Comme vu précédemment, les avantages principaux de l'invention résident dans les faits suivants : l'invention peut facilement être réalisée sur un calculateur 30 embarqué et, les équations étant simples, la capacité de calcul requise pour cette fonction est très faible, MS\REN061 FR.dpt les paramètres de réglage pour le ressenti sont simples, ils permettent d'agir sur des termes du modèle de référence, les paramètres de réglage peuvent varier en fonction de la vitesse du véhicule et, éventuellement, en fonction d'autres paramètres comme la position angulaire du volant de direction, le modèle de référence peut facilement être enrichi ou simplifié en fonction du cahier des charges retenu sur un véhicule donné, les paramètres de réglages correspondent à des grandeurs physiques déterminant des phénomènes physiques se produisant réellement dans les systèmes de direction : ces paramètres sont donc naturels pour un homme de l'art, l'invention permet d'injecter ou non des mesures d'efforts supplémentaires au niveau des roues. MS\REN061 FR.dpt Revendications : 1. Procédé de fonctionnement d'un système (1) de direction à commande électrique d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'établissement d'une valeur de position (Angle_volant_ref) d'un organe (2) de commande de direction à partir d'une valeur d'action mécanique (Couple conducteur) appliquée sur l'organe de commande de direction, l'étape d'établissement étant réalisée en utilisant un modèle de référence. 2. Procédé de fonctionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle de référence comprend des termes correspondant à des phénomènes physiques. 3. Procédé de fonctionnement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le modèle de référence comprend un terme inertiel (Jfef s2 0) et/ou un terme de frottement sec (Csec(V, 8) sgn(s0)) et/ou un terme de frottement visqueux (Kv(V) s 8) et/ou un terme de raideur (Kp(V, 0) 8) et/ou un terme d'action mécanique appliquée sur l'organe de commande de direction par un conducteur (Ccond). 4. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le modèle de référence comprend un terme d'action mécanique appliquée sur des roues directrices et ramenée au niveau de l'organe de commande de direction (Couple_resistant). 5. Procédé de fonctionnement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le terme d'action mécanique appliquée sur des roues directrices est ramenée au niveau de l'organe de MS\REN061 FR.dptcommande de direction par une logique de restitution dépendante de la situation dans laquelle se trouve le véhicule. 6. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le modèle de référence varie en fonction d'au moins un paramètre. 7. Procédé de fonctionnement selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'au moins un paramètre comprend la vitesse du véhicule automobile. 8. Procédé de fonctionnement selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'au moins un paramètre comprend la position de l'organe de commande de direction. 9. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur de l'action mécanique (Couple_conducteur) appliquée sur l'organe de commande de direction par le conducteur est estimée ou mesurée. 20 10. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise la valeur de position (Angle_volant_ref) de l'organe (2) de commande de direction pour établir une consigne de commande (Couple_restitueur) d'un 25 actionneur (4) appliquant une action mécanique sur l'organe de commande de direction et/ou en ce qu'on utilise la valeur de position (Angle_volant_ref) de l'organe (2) de commande de direction pour établir une consigne de commande (Couple_braquage) d'un actionneur (7) appliquant une action 30 mécanique sur des roues directrices du véhicule automobile. MS\REN061 FR.dpt1517 11. Système de direction à commande électrique d'un véhicule automobile comprenant des moyens matériels (4, 5, 7) et logiciels (30, 40, 60, 70) de mise en oeuvre du procédé de fonctionnement selon l'une des revendications précédentes. 12. Véhicule automobile comprenant un système de direction selon la revendication 11. MS\REN061 FR.dpt