Brevet FR2932878A1 — publié le 20091225

DISPOSITIF ET PROCEDE DE L'ESTIMATION DE LA PENTE DU TERRAIN POUR LE ROULAGE D'UN VÉHICULE AUTOMOBILE La présente invention concerne un dispositif et un procédé d'estimation de la pente du terrain sur lequel circule un véhicule automobile. La commande du groupe motopropulseur d'un véhicule prend en compte 1 o un certain nombre de paramètres qui ont pour effet une opposition ou une résistance au déplacement du véhicule. Parmi ces paramètres on peut citer les résistances de type aérodynamique définies par des coefficients de pénétration dans l'air, les frottements des roues du véhicule sur la route, les couples résistifs des différées organes du véhicule liés à la transmission du couple moteur aux 15 roues motrices. Ces paramètres sont souvent variables en fonction des conditions de roulage du véhicule, tels que l'accélération, la vitesse du véhicule mais aussi du type et des caracteristiques physiques du terrain sur lequel circule le véhicule automobile. Une des caractéristiques importantes dont on doit tenir compte est la 20 pente du terrain. Par exemple, lorsque le véhicule roule, l'estimation de la pente du terrain permet la détermination, par un dispositif de calcul embarqué, du rapport de boîte de vitesses optimal permettant de fournir le couple optimal aux roues motrices du véhicule. Dans un autre cas, lorsque le véhicule est équipé d'un frein de 25 stationnement électrique, la connaissance de la pente du terrain sur lequel sera immobilisé le véhicule permettra au dispositif électronique de commande du frein de déterminer et d'appliquer le couple nécessaire de freinage à fournir aux freins de stationnement du véhicule. 30 Dans l'état de l'art, la valeur de la pente du terrain où évolue un véhicule automobile est obtenue à l'aide d'un accéléromètre longitudinal implanté sur le plancher du véhicule. L'accéléromètre longitudinal voit la somme des informations liées à pente (la gravité multipliée par le sinus de la pente) et à l'accélération du véhicule. Dans le cas d'un véhicule utilisant un dispositif antipatinnage (ASR) la 35 vitesse et l'accélération de référence du véhicule sont obtenue par les capteurs de vitesse des roues non motrices. Un calculateur embarqué dans le véhicule permet5 à partir de ces informations d'accélération et des vitesses des roues non motrices de fournir une estimation de la pente du terrain. Néanmoins, une telle méthode d'estimation de la pente à partir des signaux fournis par un accéléromètre et des capteurs de vitesse des roues n'est pas fiable dans le cas d'un véhicule à quatre roues motrices (4x4). En effet, toutes les roues de ce type de véhicule étant motrices et donc entraînées par le couple moteur du véhicule, peuvent patiner ensemble et par conséquent, la vitesse fournie par les capteurs de vitesses des roues ne permet plus de déterminer la vitesse réelle du véhicule, surtout dans le cas ou le véhicule est équipé d'un pont 1 o autobloquant, ou d'un différentiel piloté ou de certains systèmes d'antipatinage. L'erreur d'estimation de la vitesse réelle du véhicule due au patinage des roues conduit à une fausse estimation de la pente par le calculateur du véhicule et en conséquence donnera des commandes inadéquates à la boîte de vitesses ou au système de freinage. Le véhicule peut alors devenir instable, pouvant mettre en 15 danger les occupants du véhicule ou les piétons circulant autour du véhicule. En outre, l'accéléromètre longitudinal équipant le véhicule ne peut donner, à lui tout seul, une l'information de vitesse réelle du véhicule puisqu'il peut être pollué par la pente du terrain sur lequel il roule. 20 Afin de pallier à cet inconvénient, sur les véhicules à quatre roues motrices, l'invention propose un dispositif d'estimation de la pente du terrain sur lequel se déplace un véhicule soumis à la force de gravité et à une accélération déterminée, le véhicule ayant un axe longitudinal , et un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal dans un plan de symétrie du véhicule formant un repère principal du 25 véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte : - une paire d'accéléromètres décalés angulairement l'un par rapport à l'autre de 90° selon des axes respectifs perpendiculaires dans le plan de symétrie du véhicule, formant un repère d'accéléromètres, le repère d'accéléromètres étant décalé d'un angle déterminé par rapport au repère principal du véhicule, chacun 30 des accéléromètres fournissant respectivement un premier signal et un second signal d'accélération instantanée du véhicule par rapport au repère d'accéléromètres ; et - des moyens de calcul pour fournir à partir des signaux fournis par la paire d'accéléromètres, la pente a du terrain sur lequel se déplace le véhicule. 35 Avantageusement, l'angle de décalage entre le repère principal du véhicule et le repère d'accéléromètres étant égale à 45°, l'estimation de la pente résultant de la somme des signaux, est donnée par l'équation suivante : a = Ar cos(ù M' + Mz -ag Dans une réalisation du dispositif, les moyens de calcul comportent un filtre de Kalman ayant : - une première entrée recevant une information d'erreur ev issue de la 1 o comparaison, avec une certaine constante de temps, entre les vitesses de roues respectives, fournies par des capteurs de vitesse de roues, et une estimation des dites vitesses des roues par le filtre de Kalman ; - une deuxième entrée recevant une information du couple moteur Cmot du véhicule ; 15 - une troisième entrée recevant les pressions, des freins des roues et la pression du maître cylindre ; - une quatrième entrée recevant une information d'erreur em issue de la comparaison avec une certaine constante de temps entre les mesures d'accélération fournies par la paire d'accéléromètres et une estimation des dites 20 accélérations par le filtre de Kalman ; et - une sortie fournissant une estimation améliorée de la pente du terrain sur lequel se déplace le véhicule. Dans une autre réalisation, les moyens de calcul comportent un 25 calculateur recevant par deux entrées les signaux respectifs de la paire d'accéléromètres et fournissant à une sortie une estimation de la pente du terrain sur lequel se déplace le véhicule, le calculateur étant configuré pour réaliser les calculs d'estimation de la pente. 30 L'invention concerne aussi un procédé pour la mise en oeuvre du dispositif, selon l'invention. Ledit procédé est caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer l'addition des deux signaux fournis par les accéléromètres et de calculer la pente par l'équation suivante :5 a = Ar cos(ù M1 + MZ jg L'invention concerne aussi un véhicule automobile comportant un 5 dispositif, selon l'invention, d'estimation de la pente du terrain sur lequel roule ledit véhicule. L'invention consiste essentiellement, à utiliser une paire d'accéléromètres orthogonaux de préférence dans un plan de symétrie du véhicule passant par 10 l'axe longitudinal du véhicule. Les informations fournies pas les deux accéléromètres décalés angulairement l'un par rapport à l'autre de 90° permettent sans ambigüité de déterminer la pente du véhicule et par conséquence celle du terrain sur lequel roule le véhicule. 15 L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisation de dispositifs d'estimation de la pente selon l'invention, en référence aux dessins indexés dans lesquels : - la figure 1 montre un véhicule automobile roulant sur un terrain présentant une pente ; 20 - la figure 2 représente un exemple de réalisation du dispositif d'estimation de la pente selon l'invention ; et - la figure 3 montre un schéma simplifié d'un calculateur du dispositif selon l'invention. 25 La figure 1 montre un véhicule automobile 10 roulant sur un terrain 12 présentant une pente par rapport à une horizontale H. Le véhicule de la figure 1 comporte un plan de symétrie Ps passant par l'axe longitudinal X1 du véhicule. Un axe Y1 perpendiculaire à l'axe X1 dans le plan de symétrie Ps du véhicule forme avec l'axe X1 un repère principal R1 du véhicule. 30 Selon une caractéristique principale de l'invention, le véhicule comporte un dispositif de mesure de la pente ayant une paire d'accéléromètres A1, A2 décalés angulairement l'un par rapport à l'autre de 90° selon des axes respectifs perpendiculaires X2 et Y2 dans le plan de symétrie Ps du véhicule. Les deux 4 accéléromètres orthogonaux forment un repère d'accéléromètres R2 d'axes X2 et Y2. La figure 2 représente un exemple de réalisation du dispositif d'estimation de la pente a selon l'invention . Dans cette réalisation, le repère d'accéléromètres R2 est décalé d'un angle de 6 de 45° par rapport au repère principal R1 du véhicule. Les accéléromètres Al, A2 fournissent respectivement un premier signal M1 et un second signal M2 d'accélération instantanée du véhicule par rapport au repère d'accéléromètres R2. Par la suite sont exprimées les équations mathématiques dans un exemple de positionnement de la paire d'accéléromètres A1, A2 dans le véhicule. Dans le repère R1 (X1, Y1), celui de base du véhicule, le champ de pesanteur total PRi somme vectorielle de -g- F;% est exprimé par la matrice 15 suivante : 7ùg sin(a) ùg cos(a) étant la pente de la route, 20 g étant le vecteur gravité terrestre, étant le vecteur accélération du véhicule. Les accéléromètres Al, A2 sont implantés angulairement dans le véhicule, selon un angle 6 par rapport au repère R1 de base du véhicule. Ils 25 représentent un deuxième repère d'accéléromètres R2. Pour savoir ce que mesurent les accéléromètres Al et A2, il faut changer de repère PR. Le changement du repère R1 au repère R2 est exprimé par la matrice 30 suivante : r cos(9) sin(9) P -sin(9) cos(9) La coordonnée sur X2 de 42 sera la première mesure M1 de l'accéléromètre A1. La coordonnée sur Y2 de 42 sera la seconde mesure M2 de l'accéléromètre A2. cos(9) sin(9) ù sin(9) cos(9)7ùg sm(a) ù g cos(a) ycos(9) ù g(sin(a) cos(e) + cos(a) sin(e)) ù ysin(9) + g(sin(a) sin(e) ù cos(a) cos(e)) PR = 2 10 Ou bien ycos(9) ù g sin(a + 9) ù ysin(9) ù g cos(a ù 9) (1) La première ligne de la matrice (1) représente la première mesure M1 soit : ycos(9)ùgsin(a +9) 15 La seconde ligne de la matrice (1) représente la seconde mesure M2 soit : ù y sin(9) ù g cos(a ù 9) 20 Par exemple, dans cette réalisation du dispositif d'estimation de pente, on 'z fixe 9 =ù . 4 La matrice de changement de repère sera alors la suivante : 2 yù 2 g(cos(a) + sin(a)) f 2 yù 2 g(cos(a) ù sin(a)) La première ligne de la matrice (2) représentant la première mesure M1 est dans ce cas : yù 2 g(cos(a) + sin(a)) PR2 25 (2) 30 La seconde ligne de la matrice (2) représente la seconde mesure M2 est dans ce cas : 2 y 2 g(cos(a) L'addition des deux mesures M1 et M2 sera : MI + M2 = ùJg cos(a) d'où la pente a a=Arcos(ùM' +M2) Le véhicule comporte un calculateur UC 20 recevant par deux entrées 15 el, e2 les signaux respectifs M1 et M2 de la paire d'accéléromètres Al et A2 et une sortie Sc fournissant une estimation de la pente a du terrain ou circule le véhicule. A cet effet, le calculateur est configuré pour réaliser les calculs décrits précédemment et fournir une estimation de la pente. 20 L'estimation de la pente a de la surface sur laquelle se déplace le véhicule peut être considérée comme assez proche de la pente réelle de la surface du terrain sur lequel roule le véhicule. Néanmoins, cette estimation peut être polluée lorsque le véhicule est en phase d'accélération ou décélération, par exemple, par l'action du conducteur sur les commandes du véhicule d'accélération 25 ou de freinage. Du fait de la masse du véhicule ces stimulations du véhicule produisent un tangage ou un roulis qui faussent l'estimation de la pente. La figure 3 montre un schéma simplifié d'un calculateur 22 du dispositif selon l'invention, pour fournir une estimation améliorée de la pente a. Le calculateur 22 est configuré pour tenir compte de paramètres liés au 30 fonctionnement du véhicule notamment les vitesses des roues Vr; , i étant l'indice de la roues habituellement allant jusqu'à i = 4 (quatre roues motrices), le couple moteur Cmot, les n pressions des freins des roues PF1, PF2, .PF;, PFn, et la pression PFM du maître cylindre et, les mesures M1 et M2 de la paire d'accéléromètres. 10 Le calculateur de la figure 3 comporte un filtre de Kalman comportant : - une première entrée el recevant une information d'erreur ev issue de la comparaison Cpt , avec une certaine constante de temps, entre les respectives vitesses de roues Vr1, Vr2, Vr;,.Vrn, fournies par des capteurs de vitesse de roues, n étant le nombre des roues du véhicule, et une estimation Vr;e desdites vitesses des roues par le filtre de Kalman ; - une deuxième entrée e2 recevant une information du couple moteur Cmot du véhicule ; - une troisième entrée e3 recevant les n pressions PF1, PF2,..PF;,.. PFn, 10 des freins des roues et la pression PFM du maître cylindre ; - une quatrième entrée e4 recevant une information d'erreur em issue de la comparaison Cp2 avec une certaine constante de temps entre les mesures d'accélération M1, M2 fournies par la paire d'accéléromètres Al, A2 et une estimation M1 e, M2e des dites accélérations par le filtre de Kalman ; 15 - une sortie Sp fournissant une estimation améliorée de la pente a du terrain ou circule le véhicule. Le filtre de Kalman du calculateur effectue ces corrections en tenant compte de la masse du véhicule et de son assiette pour délivrer une estimation de la pente proche de la pente réelle dans des situations de vie dynamiques du 20 véhicule. Le dispositif selon l'invention concerne la partie capteur des fonctions chaine de traction, ABS, ASR et ESP, et pour les fonctions de motricité en véhicule 4x4. 25 La partie électronique du bloc ESP équipant l'automobile sera aussi concernée étant donné que les acquisitions capteurs sont faites par ce calculateur, mais l'invention peut aussi être implantée dans un autre calculateur, par exemple, un calculateur de contrôle moteur. 30 Le dispositif d'estimation de la pente du terrain sur lequel se déplace le véhicule selon l'invention permet d'obtenir une estimation de la pente très proche de la pente réelle. Cette précision d'estimation de pente ne pourrait être obtenue avec les dispositifs des véhicules actuels, soit en réduisant les prestations de motricité du véhicule, par exemple : en évitant le patinage des roues arrières (la 35 mesure de vitesse se faisant par les roues non motrices), soit par l'ajout d'un capteur de mesure de distances, par exemple de type lidar infrarouge bien plus coûteux qu'un accéléromètre supplémentaire. REVENDICATIONS1. Dispositif d'estimation de la pente (a) du terrain (12) sur lequel se déplace un véhicule (10) soumis à la force de gravité (g) et à une accélération déterminée (ÿ ), le véhicule ayant un axe longitudinal (X1) , et un axe (Y1) perpendiculaire à l'axe longitudinal (X1) dans un plan de symétrie (Ps) du véhicule formant un repère principal (R1) du véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte : - une paire d'accéléromètres (Al, A2) décalés angulairement l'un par rapport à l'autre de 90° selon des axes respectifs perpendiculaires (X2 et Y2) dans le plan (Ps) de symétrie du véhicule, formant un repère d'accéléromètres (R2), le repère d'accéléromètres (R2) étant décalé d'un angle déterminé (8) par rapport au repère principal (R1) du véhicule, chacun des accéléromètres (A1, A2) fournissant respectivement un premier signal (M1) et un second signal (M2) d'accélération instantanée du véhicule par rapport au repère d'accéléromètres (R2) ; et - des moyens de calcul (20, et 22) pour fournir à partir des signaux (M1, M2) fournis par la paire d'accéléromètres (Al, A2) la pente (a) du terrain (12) sur lequel se déplace le véhicule. 2. Dispositif d'estimation de la pente selon la revendication 1, caractérisé en ce que, l'angle de décalage déterminé (8) entre le repère principal (R1) du véhicule et le repère d'accéléromètres (R2) étant égale à 45°, l'estimation de la pente (a) résultant de la somme des signaux (M1 et M2) est donnée par l'équation suivante : a = Ar cos(û Ml + MZ ) -ag 3. Dispositif d'estimation de la pente selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de calcul comportent un filtre de Kalman ayant :30- une première entrée (el) recevant une information d'erreur (ev) issue de la comparaison (Cp1), avec une certaine constante de temps, entre les vitesses de roues respectives (Vr1, Vr2, Var;,.Vrn), fournies par des capteurs de vitesse de roues, ,et une estimation Vr;e des dites vitesses des roues par le filtre de Kalman ; - une deuxième entrée (e2) recevant une information du couple moteur (Cmot) du véhicule ; - une troisième entrée (e3) recevant les pressions (PF1, PF2,..PF;,.. PFn), des freins des roues et la pression (PFM) du maître cylindre ; - une quatrième entrée (e4) recevant une information d'erreur em issue de la comparaison (Cp2) avec une certaine constante de temps entre les mesures d'accélération (M1, M2) fournies par la paire d'accéléromètres (Al, A2) et, une estimation (Mie, M2e) des dites accélérations par le filtre de Kalman ; - une sortie (Sp) fournissant une estimation améliorée de la pente (a) du terrain sur lequel se déplace un véhicule. 4. Dispositif d'estimation de la pente selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de calcul comportent un calculateur (20) recevant respectivement par deux entrées (e1, e2) les signaux (M1 et M2) de la paire d'accéléromètres (Al et A2) et fournissant à une sortie (Sc) une estimation de la pente (a) du terrain sur lequel se déplace le véhicule, le calculateur (20) étant configuré pour réaliser les calculs d'estimation de la pente. 5. Procédé d'estimation, par un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer l'addition des deux signaux (M1 et M2) fournis par les accéléromètres et de calculer la pente (a) par l'équation suivante : a = Ar cos(ù M1 + Mz jg 6. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif, selon l'une des revendications 1 à 4, d'estimation de la pente du terrain (12) sur lequel roule ledit véhicule (10).30