Brevet FR3081052A1 — publié le 20191115

PROCEDE D'ESTIMATION ET ADAPTATION DE LA VITESSE ET DE L'ACCELERATION D'UN VEHICULE Domaine technique L'invention se rapporte au domaine des véhicules automobiles. Elle porte plus particulièrement sur une stratégie d'estimation de la vitesse et de l'accélération associée, allant de hautes vitesses jusqu'aux très faibles vitesses, en s'affranchissant des limites de capteurs actuels. État de la technique Dans le contexte du développement des lois de commandes, la connaissance d'une vitesse précise et d'une accélération associée sont très importantes. Par exemple, les lois de contrôle utilisées sur les systèmes ADAS (systèmes d'aide à la conduite) et le véhicule autonome ont toujours besoin d'avoir l'information de vitesse et d'accélération. Sur les véhicules actuels, la vitesse et l'accélération sont déjà calculées de manière précise au-dessus d'un certain seuil. Si la vitesse réelle est inférieure à ce seuil, l'information sur la vitesse et l'accélération ne sont pas disponibles. On désigne communément cette plage de vitesses comme « basse vitesse ». Le problème principal est que, dû aux limitations de capteurs utilisés, la vitesse ne peut pas être bien estimée en dessous dudit seuil de vitesse. Par conséquent, les lois de commandes utilisées ne peuvent pas contrôler de manière robuste les différents systèmes à basse 30 vitesses ; comme par exemple : 2 - Les systèmes de parking (connus en anglais sous HFPB-Hands Free Parking Brake et auto-park) - Les systèmes ACC (régulateur de distance) pour les situations de « Stop&Start » 5 - La voiture autonome ou système TJP (pour Traffic Jam Pilot) dans des situations d'embouteillage. Un deuxième problème est l'utilisation de la valeur de l'accélération provenant de l'accéléromètre. Cette valeur n'est 10 pas très précise (elle a des décalages) à cause de : - La position de l'accéléromètre après l'installation en usine - Certaines grandeurs externes comme la pente et le devers de la route 15 - Le roulis et le tangage de la caisse. La figure 1 représente un graphique illustrant le problème rencontré. La vitesse actuellement estimée du véhicule est représentée par la courbe 1, la valeur de l'accéléromètre est représentée par la courbe 2, la courbe 3 représente les « pics » 20 des roues codeuses (c'est-à-dire les pics de signaux qu'elles envoient au passage d'une dent, une telle roue étant aussi appelée « roue dentée ») et entre les traits A et B la zone de basse vitesse où l'on roule en dessous d'un seuil de 1 km/h. Les pics indiquent si les roues ont tourné ou non et donnent une 25 image de la vitesse par leur amplitude. Dans la zone entre les traits A et B, la vitesse est inconnue. On voit par exemple dans la partie droite de la zone à basse vitesse que les roues tournent (présence de pics des roues codeuses) mais on ne détecte aucune vitesse en dessous du seuil de lkm/h. 3 Enfin, le tracé de l'accéléromètre (courbe 2) montre un décalage dans la zone de basse vitesse (zone sans présence de pics et accéléromètre constant à valeur non nulle). Ainsi, il devient nécessaire de développer une stratégie 5 d'estimation de la vitesse et de l'accélération dans la zone des basses vitesses (entre A et B), en complément de la valeur de vitesse déjà présente à la voiture. Un exemple d'une tel stratégie est connu du document « Improving the Response of a Wheel Speed Sensor by Using a RLS 10 Lattice Algorithm » de W. Hernandez, publiée dans Sensors de juin 2006, pages 64-79. Ce document divulgue plus particulièrement l'utilisation de filtres adaptatifs pour résoudre le problème d'imprécision à basse vitesse et notamment des filtres de Kalman. 15 Le principal avantage de ce type de solution logicielle à base de filtrage adaptatif réside dans son faible coût. Cependant, un problème plus important demeure au-delà de l'estimation de la vitesse, c'est la discontinuité des valeurs de vitesse et accélération estimées lors d'un passage de la plage 20 de vitesses hautes, situées au-dessus du seuil, vers la plage des vitesses basses situées au-dessous du seuil. L'objectif de la présente invention est notamment de résoudre ce problème technique en proposant une méthode permettant d'estimer la vitesse et/ou l'accélération d'un 25 véhicule à basse vitesse tout en étant adaptée à la mesure précise de la vitesse du véhicule à moyenne et haute vitesse, sans présenter de discontinuité de ces valeurs. Description de l'invention À cet effet, l'invention a pour objet un procédé 30 d'estimation de la vitesse d'un véhicule automobile dans lequel 4 - On définit un premier seuil de vitesse SV1 correspondant à une valeur de vitesse minimale fournis par un capteur de vitesse angulaire de roues du véhicule ; - On définit un deuxième seuil de vitesse SV2, supérieur à 5 SV1 ; - On estime des valeurs de basses vitesses lorsque le véhicule roule en dessous de SV1 en utilisant une méthode d'estimation de type filtre adaptatif; - On mesure des valeurs de hautes vitesse lorsque le véhicule 10 roule au-dessus de SV2 en utilisant des valeurs de la vitesse du véhicule fournies par les capteurs de vitesse angulaire de roues ; - Dans la zone intermédiaire entre SV1 et SV2, on réalise un mixage de la haute vitesse avec la basse vitesse. 15 Selon l'invention, on utilise trois plages de vitesses : basse vitesse, haute vitesse et une zone intermédiaire de mixage. Le fait d'utiliser une plage de mixage permet d'éviter des discontinuités sur la vitesse ni l'accélération (indispensable 20 pour garantir la stabilité des lois de commandes). Avantageusement, le filtre adaptatif est un filtre de Kalman. Avantageusement, dans la zone intermédiaire entre SV1 et 25 SV2, le mixage est réalisé périodiquement à des instants successifs en utilisant une méthode de mixage linéaire suivant la formule : _SV2 - vitesset_i vitesset_i- SV1 kal vitesse = vitessebas x se man SV2 - SV1 + vitessehaute véhicule X SV2 - SV1 Ce mixage linéaire permet de calculer la valeur de la vitesse 30 mixée (vitesse) en utilisant les valeurs de vitesse de la méthode Kalman e (vitessebass kalman) et de la vitesse véhicule (vitessehaute ) véhicule 5 te La vitesse de véhicule (vitesset'en ) est la vitesse mesurée en utilisant la vitesse angulaire des roues. La vitesse est la vitesse mixée à l'instant t courant, vitesset_i est la vitesse mixée à l'instant t-1 de mixage précédent, 5 (vitessekalmbasse an ) est la valeur de vitesse calculée par la méthode de Kalman à l'instant t courant et (vitesse/1)1(eL ) est la valeur de vitesse mesurée par le capteur angulaire à l'instant t courant. Selon une caractéristique de l'invention, le premier seuil SV1 peut être de lkm/h. 10 Selon une autre caractéristique de l'invention, le deuxième seuil de vitesse SV2 peut être de 1,5km/h. Avantageusement, à l'étape C) on estime également la valeur de l'accélération grâce au filtre de Kalman et à l'étape E) on réalise également un mixage des valeurs de l'accélération entre 15 SV1 et SV2. Un avantage de l'invention est que la vitesse est estimée sans discontinuité et que la valeur de l'accélération associée peut aussi être prise en compte. Brève description des figures 20 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente un graphique illustrant les 25 problèmes rencontrées aux faibles vitesses ; - la figure 2 illustre schématiquement le principe de l'invention ; - les figure 3 et 4 représentent des exemples de résultats de l'utilisation du procédé de l'invention en phase de 30 décollage et d'arrête d'un véhicule. 6 Description détaillée La figure 2 représente schématiquement le principe général de l'invention dans lequel on définit 3 zones de vitesse : - une zone de faibles vitesses, au-dessous d'un premier 5 seuil SV1 au-dessous duquel les valeurs de la vitesse et de l'accélération ne sont pas disponibles. Typiquement de lkm/h. Dans cette zone, la vitesse est mesurée suivant la méthode de Kalman. Cette méthode est connue en soi de 10 l'homme du métier, mais elle est rappelée ci-dessous pour plus de clarté de l'exposé de l'invention. - Une zone de vitesses hautes au-dessus d'un deuxième seuil SV2 supérieur au premier seuil SV1, par exemple de 1,5km/h. Dans cette zone les valeurs de la vitesse 15 et de l'accélération sont fournis par les capteurs du véhicule ; et - Une zone de mixage situé entre les deux seuils SV1 et SV2. 20 I. Estimation de la vitesse avec la méthode Kalman I. 1 Filtre de Kalman classique. Un filtre Kalman prend en compte trois variables d'état [x] - x(1) distance parcourue depuis le dernier instant t ; 25 - x(2) une information de vitesse ; - x(3) une dernière d'accélération. Les deux mesures de capteur [z] utilisées pour l'estimation de la variable d'état sont : 30 - z(1) la moyenne des pics des roues codeuses (WT). Les signaux des pics des 4 roues sont déjà présents dans la messagerie (CAN) du véhicule. Cette information permet d'avoir une 7 idée du déplacement de chaque roue en comptant à chaque pas d'échantillonnage combien de dents du codeur sont passés (typiquement 48 dents) - z(2) les vitesses angulaires de roues (WS). Les signaux des 5 vitesses angulaires des 4 roues sont déjà présents dans la messagerie (CAN) du véhicule. La moyenne des roues arrière sera utilisée dans le Kalman (axe de roues non-motrices, c'est-à-dire, moins de glissement aux phases de décollage) 10 Le système d'équations du filtre de Kalman est : 1) Prédiction 2k1k-1 = Fk2k-11k-1 Pkik-1 = FkPk-11k-1FI + Qk 15 2) Correction .5"k = zk Sk = + Rk Kk = Pkik-111TcSk1 2kik = 2k1k-1 + Kk5"k Pkik = (I - KkHk)Pkik-1 La notation utilisée est la suivante : 20 - x : état du système (vecteur) - z : mesures capteur (vecteur) - P : matrice de covariance de l'estimée - Fk : matrice de transition de l'état - uk : entrée de commande 25 - Bk : matrice de transition de la commande - ft: matrice de transition de la mesure - Q : matrice de covariance du bruit de modèle (précision) - R : matrice de covariance du bruit de de mesure (précision) 30 - I : matrice identité - 2: valeur estimée de la variable x 8 - .5C: valeur mesurée de la variable x Remarque : Dans le filtre de Kalman mis en place le vecteur u est nul, ce qui simplifie la première équation. 5 1.2 Estimation de la vitesse En entrée du système il y a les deux données capteur qui correspondent aux vitesses de roue (WS) et les pics des roues codeuses (WT). Ces données sont traitées (bloc DP : « Data processing ») puis passent dans le filtre de Kalman (bloc 10 « Estimation ») qui lui en ressort une vitesse et une accélération. Première étape - « Traitement des données » : - Top des roues: Le codeur envoie la position de la dernière dent vue. Nous utiliserons cet incrément du nombre de dents 15 [WT] pendant un pas d'échantillonnage du système [Te] (pas forcement à la même cadence que l'enregistrement du capteur). Ensuite la valeur moyenne entre les 4 roues sera utilisée comme mesure du [WT]. La valeur équivalente à une vitesse linéaire et utilisant les pics des roues est 2irR 20 nb_pic* WT avec [R] le rayon des roues supposé constant et connu (paramètre de réglage) et [nb_pic] le nombre de dents du codeur. 25 - WS : La moyenne des vitesses angulaires des roues arrière (axe de roues non-motrices, c'est-à-dire, moins de glissement aux phases de décollage) sera utilisée dans le filtre Kalman. Cette vitesse angulaire [WS] sera convertie en vitesse linéaire à partir de : 2irR 30 *WS 60 Deuxième étape : « Estimation » : 9 Le modèle de Kalman utilisé est le suivant : Equation d'état : xk = 5 dk f Vk et ak sont respectivement la distance parcourue, la vitesse et l'accélération à l'itération k du filtre Vecteur d'entrée des données (« Input data vector » en anglais): 2n-R Wc* T nb_pi 2n-R 2n-R 60 * Wheel_Top + * WS nb_pic 1 2irR Te * 60 * WS nb_pic = 96, le nombre d' incrément du codeur. Te =0.01s, la période d' échantillonnage . L'équation d'état représente la première ligne de l'étape de prédiction montrée précédemment. L'hypothèse faite ici est 10 une évolution constante de l'accélération. Le vecteur d'entrée [z] correspond à l'insertion des données capteur dans le filtre de Kalman. La donnée [WT] correspond à la somme des pics des roues codeuses divisé par quatre (le nombre de roues). La variable [WS] elle est égale à la somme de la 15 vitesse des roues arrières du véhicule divisé par 2. Cette dernière donnée n'étant pas toujours disponible (tombe à 0 en dessous de SV1), une adaptation de la matrice H (voir le système d'équations de Kalman, phase correction) dans le filtre de Kalman a été réalisée. 20 II. Mixage de vitesses Tee ()k + Te *12k_i + -2 * ak 1\ vk = a dk vic-1 + Te * ak-1 ak-1 Zk 10 Dans la zones des vitesses située entre le premier seuil SV1 et le deuxième seuil SV2, entre lkm/h et 1,5km/h dans l'exemple représentés figure 2, un mixage de la haute vitesse avec la basse vitesse est réalisé. 5 Plus particulièrement, le mixage eut être réalisé en utilisation une méthode de mixage linéaire suivant la formule : SV2 - vit vitesset_i haute vitesse = - vttessekalman - basse v -esset_i SV2 - SV1 + vitessevéhicule X sv- iSV1 SV2 Ce mixage linéaire permet de calculer la valeur de la 10 vitesse mixée (vitesse) en utilisant les valeurs de vitesse de la méthode Kalman (vitessebasse kalman ) et de la vitesse véhicule (vitesse haute ) véhicule La vitesse de véhicule (vitesseheilt , ) est la vitesse calculée en utilisant la vitesse angulaire des roues. A basse vitesse la 15 valeur de la vitesse haute du véhicule n'est pas disponible. Afin de garantir un mixage correct, la valeur de la vitesse de référence utilisée est la dernière valeur de la vitesse. Cette valeur est utilisée pour définir le poids de chaque vitesse (poids défini entre la distance relative par rapport aux seuils). 20 Par exemple, le poids de la vitesse de la méthode de Kalman est défini comme (SV2-vitesset_i - SV2-SV1 / t-1 (dernière valeur) t=0 (valeur actuelle) Vitesse mixée vitesset_l vitesse Vitesse estimée (avec la Non utilisée vitesseb"" méthode de Kalman) kalman Vitesse véhicule (en utilisant les vitesses angulaires) Non utilisée vitessehaute vehicule Le choix de la vitesse de référence permet de garantir une continuité pendant le mixage. 11 L'utilisation de la vitesse estimée avec la méthode de Kalman n'est pas possible car la valeur initiale peut-être supérieure à SV2 (à cause du retard du filtre). L'utilisation de la vitesse du véhicule n'est également pas possible car elle présente une 5 discontinuité aux basses vitesses où la vitesse angulaire n'est plus disponible. 10 III. Exemples de Résultats obtenus III.1 - Phase de décollage La figure 3 représente des résultats obtenus en phase de décollage du véhicule. La courbe en vert correspond à la vitesse 15 du système actuel, la courbe 3 montre les WT, les courbes 4 et 5 montrent respectivement la vitesse et l'accélération calculées selon la méthode de l'invention. Concernant la vitesse, on voit que le filtre de Kalman propose une vitesse 4 croissante qui rejoint la vitesse du 20 véhicule 1 utilisée actuellement. La vitesse 4 calculée par la méthode de l'invention décolle au niveau du premier pic de roue détecté, c'est-à-dire, premier pic de la courbe 3. Concernant l'accélération 5, on peut faire le même constat. La nouvelle estimation démarre au premier pic détecté et converge 25 assez bien vers une valeur qui correspond à celle attendue pour la vitesse 4. La région grise correspond à la région de transition entre la basse et haute vitesse. On peut constater qu'il n'y a pas de discontinuité et que la valeur de vitesse estimée présente une 30 transition cohérente par rapport à la dynamique de la vitesse réelle du véhicule. III. 2 En Phase de freinage jusqu'à l'arrêt 12 La Figure 4 représente des résultats obtenus en phase d'arrêt. En regardant la vitesse, on voit que la courbe 4 suit un profil de vitesse plus juste en accord avec les pics de roues 5 codeuses que la courbe 1. On détecte aussi l'arrêt du véhicule plus proprement avec la méthode de l'invention. L'accélération 5 semble correspondre à la vitesse 4 proposée et s'arrête en même temps que la vitesse 4. La région grise correspond à la région de transition entre la 10 haute et la basse vitesse. On peut constater qu'il n'y REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de la vitesse d'un véhicule automobile dans lequel : A. On définit un premier seuil de vitesse SV1 correspondant à une valeur de vitesse minimale fournis par un capteur de vitesse angulaire de roues du véhicule ; B. On définit un deuxième seuil de vitesse SV2, supérieur à SV1 ; C. On estime des valeurs de basses vitesses lorsque le véhicule roule en dessous de SV1 en utilisant une méthode d'estimation de type filtre adaptatif ; D. On mesure des valeurs de hautes vitesse lorsque le véhicule roule au-dessus de SV2 en utilisant des valeurs de la vitesse du véhicule fournies par le capteur de vitesse angulaire de roues ; E. Dans la zone intermédiaire entre SV1 et SV2, on réalise un mixage de la haute vitesse avec la basse vitesse. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le filtre adaptatif est un filtre de Kalman. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel, dans la zone intermédiaire entre SV1 et SV2, le mixage est réalisé périodiquement à des instants successifs en utilisant une méthode de mixage linéaire suivant la formule : SV2 - vit vitesset_i haute vitesse = - vitesse kalman - basse v -esset_i SV2 - SV1 + vitesse véhicule X sv-iSV1 SV2 14 où vitesse est la vitesse mixée à l'instant t courant, vitesset_i est la vitesse mixée à l'instant t-1 de mixage précédent, (vitessebasse kalman ) est la valeur de vitesse calculée par la méthode de 5 Kalman à l'instant t courant et (vitesse/1)1(eL ) est la valeur de vitesse mesurée par le capteur angulaire à l'instant t courant. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le premier seuil SV1 est de lkm/h. 10 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le deuxième seuil de vitesse SV2 est de 1,5km/h. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 dans lequel à 15 l'étape C) on estime également la valeur de l'accélération grâce au filtre de Kalman et à l'étape E) on réalise également un mixage des valeurs de l'accélération entre SV1 et SV2.