Brevet FR3093687A1 — publié le 20200918

Description Titre de l'invention : Procédé de pilotage autonome d'une mobilité d'un appareil Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne de manière générale l'automatisation du suivi de tra- jectoire d'appareils automobiles. [0002] Elle trouve une application particulièrement avantageuse dans le cadre des aides à la conduite de véhicules automobiles, mais elle peut également s'appliquer au domaine de l'aéronautique ou de la robotique. [0003] Elle concerne plus particulièrement un procédé de pilotage autonome d'une mobilité (c'est-à-dire d'un organe de commande de trajectoire) d'un appareil automobile, comportant des étapes de : - acquisition de paramètres relatifs à une trajectoire de l'appareil, et de - calcul d'une nouvelle consigne de pilotage de la mobilité de l'appareil en fonction desdits paramètres. [0004] Elle concerne aussi un appareil équipé d'un calculateur adapté à mettre en oeuvre ce procédé. Etat de la technique [0005] Dans un souci de sécurisation des véhicules automobiles, on équipe actuellement ces derniers de systèmes d'aide à la conduite ou de système de conduite autonome. [0006] Parmi ces systèmes, on connait notamment les systèmes de freinage d'urgence au- tomatique (plus connu sous l'abréviation AEB, de l'anglais « Automatic Emergency Braking »), conçus pour éviter toute collision avec des obstacles situés dans la voie empruntée par le véhicule, en agissant simplement sur le système de freinage conventionnel du véhicule automobile. [0007] Il existe toutefois des situations dans lesquelles ces systèmes de freinage d'urgence ne permettent pas d'éviter la collision ou ne sont pas utilisables (par exemple si un engin suit de près le véhicule automobile). [0008] Pour ces situations, il a été développé des systèmes d'évitement automatique (plus connu sous l'abréviation AES, de l'anglais « Automatic Evasive Steering » ou « Automatic Emergency Steering ») qui permettent d'éviter l'obstacle en déviant le véhicule de sa trajectoire, soit en agissant. sur la direction du véhicule, soit en agissant sur le système de freinage différentiel du véhicule. [0009] 11 arrive toutefois que le système AES impose au véhicule une trajectoire limite en termes de contrôlabilité, qui ne permet pas au conducteur de reprendre la main sur la conduite du véhicule en toute sécurité. 2 Présentation de l'invention [0010] Afin de remédier à l'inconvénient précité de l'état de la technique, la présente invention propose d'utiliser un contrôleur adapté à élaborer une consigne de pilotage qui limite la vitesse du changement de direction imposé à l'appareil automobile. [0011] Plus particulièrement, on propose selon l'invention un procédé de pilotage autonome d'une mobilité d'un appareil automobile qui est adaptée à influer sur la trajectoire dudit appareil, comportant des étapes de : - acquisition de paramètres relatifs à la trajectoire de l'appareil, et de - calcul d'une nouvelle consigne de pilotage de la mobilité de l'appareil en fonction desdits paramètres, cette nouvelle consigne de pilotage étant déterminée au moyen d'un contrôleur qui satisfaisait un modèle limiteur de variation de la consigne de pilotage. [0012] Ainsi, grâce à l'invention, la consigne de pilotage est déterminée de façon native pour restreindre la vitesse de variation de la mobilité considérée. [0013] Préférentiellement, l'appareil est un véhicule automobile qui est adapté à rouler sur route et qui comprend au moins une roue directrice, ladite mobilité correspond à la capacité de chaque roue directrice à braquer, et la consigne de pilotage est une consigne saturée d'angle de braquage de chaque roue directrice. [0014] Dans ce cas particulier, l'angle de braquage est donc directement calculé de façon à ne pas pouvoir varier trop vite, cc qui permet au conducteur du véhicule de pouvoir reprendre la main sur la conduite du véhicule en toute sécurité et qui permet de ne pas dépasser les capacités de suivi de trajectoire du véhicule. [0015] L'invention s'applique particulièrement au cas où la trajectoire du véhicule est und trajectoire d'évitement d'un obstacle situé sur la route empruntée par le véhicule. Dans ce cas particulier, il faut que le véhicule réagisse rapidement et en toute sécurité, en suivant la trajectoire souhaitée avec un faible délai de réponse. [0016] D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé conforme à l'invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : [0017] - il est prévu de déterminer une consigne non saturée de l'angle de braquage qui ne satisfaisait pas ledit modèle limiteur, et dans lequel le modèle limiteur comprend une fonction tangente hyperbolique de l'écart entre la consigne non saturée de l'angle de braquage et la consigne saturée de l'angle de braquage ; - il est prévu de comparer une valeur calculée à l'aide de ladite fonction tangente hyperbolique avec un seuil prédéterminé et, selon le résultat de ladite comparaison, de poursuivre ou d'interrompre ledit procédé ; - ladite valeur est calculée au moyen de l'expression mathématique : 3 With (Ci (C5K - 4,4) ( (51( - r5,er) où u est une constante prédéterminée, K est la consigne non saturée de l'angle de braquage, et e)',- est la consigne saturée de l'angle de braquage ; - les paramètres comprennent au moins une vitesse de lacet r de l'appareil et/ ou un angle relatif de cap W1, entre l'axe longitudinal de l'appareil et une tangente à la trajectoire . [0018] L'invention porte aussi sur une méthode d'élaboration d'un contrôleur en vue de son utilisation dans un procédé de pilotage tel que précité, dans laquelle il est prévu de : - acquérir un modèle matriciel comportemental de l'appareil, - déterminer une partie au moins des coefficients des matrices du modèle matriciel comportemental, - en déduire un contrôleur qui satisfait, d'une part, le suivi d'une trajectoire à emprunter, et, d'autre part, un modèle limiteur de variation de consigne de pilotage. [0019] Préférentiellement alors, le contrôleur est déterminé à partir de critères d'optimisation convexe sous contraintes d'inégalités matricielles linéaires. [0020] L'invention concerne aussi un appareil automobile comprenant au moins une mobilité qui est adaptée à influer sur la trajectoire dudit appareil, un actionneur pour commander ladite mobilité, et un calculateur pour piloter ledit actionneur, qui est adapté à mettre en oeuvre un procédé tel que précité. [0021] Avantageusement alors, cet appareil est formé par un véhicule automobile adapté à rouler sur route et comprenant au moins une roue directrice, ladite mobilité correspondant alors à la capacité de chaque roue directrice à braquer. [0022] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Description détaillée de l'invention [0023] 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. [0024] Sur les dessins annexés : [0025] [fig.1[ est une vue schématique de dessus d'un véhicule automobile circulant sur une route, sur laquelle la trajectoire que cc véhicule doit emprunter est représentée ; [0026] [fig.2[ est une vue schématique en perspective du véhicule automobile de la figure I, re- - présenté dans quatre positions successives situées le long d'une trajectoire d'évitement d'un obstacle ; [0027] [fig.3] est un graphique illustrant les variations d'une fonction tangente hyperbolique ; [0028] [fig.4] est un schéma illustrant la fonction de transfert en boucle fermée utilisée pour piloter le véhicule automobile ; [0029] [fig.5] est un graphique illustrant les variations d'une fonction 0 utilisée pour piloter le véhicule automobile ; [0030] [fig.6] est un graphique illustrant un algorithme de pilotage du véhicule selon un procédé conforme à l'invention. [0031] Sur la figure 1, on a représenté un véhicule automobile 10 comprenant classiquement un châssis qui délimite un habitacle, deux roues avant 11 directrices, et deux roues arrière 12 non directrices. En variante, ces deux roues arrière pourraient également être directrices. [0032] Cc véhicule automobile 10 comporte un système de direction conventionnel permettant d'agir sur l'orientation des roues avant 11 de façon à pouvoir faire tourner le véhicule. Cc système de direction conventionnel comprend notamment un volant connecté à des biellettes afin de faire pivoter les roues avant 11. Dans l'exemple considéré, il comporte également un actionneur permettant d'agir sur l'orientation des roues avant en fonction de l'orientation du volant et/ou en fonction d'une requête reçue d'un calculateur 13. [0033] En complément, on pourra éventuellement prévoir que ce véhicule automobile comporte un système de freinage différentiel permettant d'agir différemment sur les vitesses de rotation des roues avant 11 (et sur celles des roues arrière 12) de façon à ralentir le véhicule automobile en le faisant tourner. Ce système de freinage différentiel comprend par exemple un différentiel piloté ou des moteurs électriques placés au niveau des roues du véhicule. [0034] Dans la suite de cet exposé, le système de direction considéré sera formé par le seul système de direction conventionnel. En variante, il pourrait être formé par la combinaison du système de direction conventionnel et du système de freinage différentiel. [0035] Le calculateur 13 est alors prévu pour piloter l'actionneur de direction assistée. Il comporte à cet effet au moins un processeur, au moins une mémoire et différentes interfaces d'entrée et de sortie. [0036] Grâce à ses interfaces d'entrée, le calculateur 13 est adapté à recevoir des signaux d'entrée provenant de différents capteurs. [0037] Parmi ces capteurs, il est par exemple prévu : - un dispositif tel qu'une caméra frontale, permettant de repérer la position du véhicule par rapport à sa voie de circulation, - un dispositif tel qu'un télédétecteur RADAR ou LTDAR, permettant de détecter un obstacle 20 se trouvant sur la trajectoire du véhicule automobile 10 (figure 2), - un dispositif tel qu'un gyromètre, permettant de déterminer la vitesse de rotation en lacet (autour d'un axe vertical) du véhicule automobile 10, et - un capteur de position et de vitesse angulaire du volant. [0038] Grâce à ses interfaces de sortie, le calculateur 13 est adapté à transmettre une consigne à l'actionneur de direction assistée. [0039] Il permet ainsi de forcer le véhicule à suivre une trajectoire d'évitement TO de l'obstacle 20. [0040] Grâce à sa mémoire, le calculateur 13 mémorise des données utilisées dans le cadre du procédé décrit ci-dessous. [0041] Il mémorise notamment une application informatique, constituée de programmes d'ordinateur comprenant des instructions dont l'exécution par le processeur permet la mise en oeuvre par le calculateur du procédé décrit ci-après. [0042] Avant de décrire ce procédé, on peut introduire les différentes variables qui seront utilisées, dont certaines sont illustrées sur la figure 1. [0043] La masse totale du véhicule automobile sera notée « m » et sera exprimée en kg. [0044] L'inertie du véhicule automobile autour d'un axe vertical passant par son centre de gravité CG sera notée « J » et sera exprimée en N.m. [0045] La distance entre le centre de gravité CG et l'essieu avant du véhicule sera notée « lf » et sera exprimée en mètres. [0046] La distance entre le centre de gravité CG et l'essieu arrière sera notée «1, » et sera exprimée en mètres. [0047] Le coefficient de rigidité de dérive des roues avant sera noté « Cf » et sera exprimé en N/rad. [0048] Le coefficient de rigidité de dérive des roues arrière sera noté « C, » et sera exprimé en N/rad. [0049] Ces coefficients de rigidité de dérive des roues sont des notions bien connues de l'homme du métier. A titre d'exemple, le coefficient de rigidité de dérive des roues avant est ainsi celui qui permet d'écrire l'équation Ff= 2.Cf.ccf, avec Ff la force latérale de glissement des roues avant et af l'angle de dérive des roues avant. [0050] L'angle de braquage que font les roues avant directrices avec l'axe longitudinal Aldu véhicule automobile 10 sera noté « S » et sera exprimé en rad. [0051] La variable bref, exprimée en rad, désignera la consigne saturée d'angle de braquage, telle qu'elle sera transmise à l'actionneur de direction assistée. 6 [0052] La variable SK, exprimée en rad, désignera la consigne non saturée d'angle de braquage. A ce stade, on pourra seulement préciser que le concept de saturation sera lié à une limite de vitesse de braquage qui ne sera pas nécessairement respectée avec la variable ti', mais qui le sera avec la variable [0053] La vitesse de lacet du véhicule (autour de l'axe vertical passant par son centre de gravité CG) sera notée « r» et sera exprimée en radis. [0054] L'angle relatif de cap entre l'axe longitudinal Al du véhicule et la tangente à la tra- jectoire d'évitement TO (trajectoire souhaitée du véhicule) sera noté » et sera exprimé en rad. [0055] L'écart latéral entre l'axe longitudinal Al du véhicule automobile 10 (passant par le centre de gravité CG) et la trajectoire d'évitement TO, à une distance de visée « 1s » située à l'avant du véhicule, sera noté « y, » et sera exprimé en mètres. [0056] La consigne d'écart latéral entre l'axe longitudinal Al du véhicule automobile 10 (passant par le centre de gravité CG) et la trajectoire d'évitement TO, à une distance de visée « 1s » située à l'avant du véhicule, sera notée « y,, rf» et sera exprimée en mètres. [0057] L'erreur de suivi de trajectoire sera noté « c', » et sera exprimé en mètres. Il sera égal à la différence entre la consigne d'écart latéral y, ,rf et l'écart latéral y,,. [0058] La distance de visée « Is » précitée sera mesurée à partir du centre de gravité CG et s'exprimera en mètres. [0059] L'angle de dérive du véhicule automobile 10 (angle que fait le vecteur vitesse du véhicule automobile avec son axe longitudinal AI) sera noté « r3 » et sera exprimé en rad. [0060] La vitesse du véhicule automobile selon l'axe longitudinal Al sera noté « V » et s'exprimera en mis. [0061] P et Q seront des matrices de dimensions appropriées, positives et symétriques, telles que Q = P'. L'expression exact de ces matrices apparaitra plus clairement à la lecture de la suite de cet exposé. [0062] Les constantes E et tu représenteront des caractéristiques dynamiques de l'angle de braquage des roues avant du véhicule. [0063] La constante cof représentera quant à elle une caractéristique dynamique d'une per- turbation arbitraire w bornée appliquée au véhicule. [0064] Avant de décrire le procédé qui sera exécuté par le calculateur pour mettre en oeuvre l'invention, on pourra dans une première partie de cet exposé décrire les calculs qui ont permis d'aboutir à l'invention, de façon à bien comprendre d'où proviennent ces calculs et sur quels ressorts ils s'appuient. [0065] On considérera ici que le comportement dynamique du véhicule peut être modélisé au moyen de l'équation suivante. [0066] 7 [Math.1] é.371, C'r- Cr - 0 0 0 Jr. enV Cf I f _ 0 ( 0 6re., + o LJe ri (- 0 0 0 0 r 0 (3 enV2 0 V 0 0 o 0 0 0 0 0 0 --1 en 0 Wf. Crl?+ Cf q -2ew 0 6 0 w2 1 0 IISL,x.2. fi 0 o -w 0 Cilf - Cr?, o V 0 0 IV 1 0 1. 0 0 -aie: 0 0 o [0067] Ce modèle est un modèle bicyclette amélioré. [0068] Une pet-met toutefois pas de limiter la vitesse de braquage des roues avant 11 du véhicule. Or une telle limitation s'avère particulièrement importante pour assurer au conducteur du véhicule d'être en mesure de reprendre le contrôle du véhicule à tout moment. [0069] Une telle limitation peut s'exprimer à l'aide de l'équation suivante. 100701 I Math.21 Ôtref l Ç 17 100711 Dans cette équation, le coefficient v est une constante qui représente la vitesse de braquage à ne pas dépasser. Cette constante est définie soit par calcul, soit à l'issue d'une campagne d'essais réalisés sur un véhicule test. 100721 Selon l'invention, on souhaite limiter la vitesse de braquage des roues directrices 11 non pas en imposant un seuil brutal, mais plutôt en utilisant un limiteur de variation de consigne (plus connu sous l'expression anglaise « rate limiter »). [0073] Comme le montre la figure 4, cc limiteur de variation de consigne Tl est ici par- ticulier en ce sens qu'il fonctionne en boucle fermée et qu'il présente une fonction dc transfert en v/s et un correcteur qui est une fonction tangente hyperbolique. Il reçoit en entrée la consigne non saturée d'angle de braquage Ô.K. et transmet en sortie la consigne saturée d'angle de braquage e')'f. [0074] Sur cette figure, le coefficient A correspond à l'écart entre les variables ôt.ef et e,.. Lc coefficient rr est une constante comprise entre 0 et l'infini, qui est le seul paramètre permettant dc jouer sur le caractère rapide ou souple du limiteur de variation de consigne Tl . [0075] Comme le montre la figure 3, l'utilisation d'un tel correcteur permet non seulement de bien limiter les variations d'angle de braquage, mais en outre d'assurer une continuité dc la variation de la consigne saturée d'angle de braquage ester. [0076] La courbe Cl montre ainsi que cette variation de consigne peut être lisse et souple (avec un coefficient n faible), ou plus rapide comme le montre la courbe C2 (la courbe C3 correspond à un coefficient n infini). [0077] Cc limiteur de variation de consigne Tl a pour avantage d'être simple à mettre au 8 point puisqu'il suffit de régler le coefficient a_ Il permet d'assurer une commande continue et lisse (infiniment dérivable). Surtout, il peut être directement pris en compte dans le modèle de comportement dynamique du véhicule défini par l'équation Math 1, en vue de calculer une consigne d'angle de braquage du véhicule. [0078] Pour cela, compte tenu de la forme de ce limiteur de variation de consigne Tl, on peut écrire : [0079] [Math.3] ;51,f = v. tank (a(aK - are») 100801 Cette équation peut également s'écrire sous la forme : 100811 IMath.41 tank (a(e5K - f )) = a(8 - «(ai( - grer ) [0082] On peut alors introduire le paramètre 0 suivant : [0083] [Math.5] tarth(a(e5K -15ref)) 0 - [0084] Puis réécrire l'équation Math 4 sous la forme : [0085] [Math.6] ;5:,'r = -v. a.°. 5'f ± p.a. 0. 81,- [0086] Cette équation Math 6 est caractéristique d'une représentation d'état et elle montre que le modèle de limiteur de variation de consigne T1 est linéaire en fonction du paramètre 0. [0087] On peut alors enrichir le modèle bicyclette de l'équation Math 1 avec cette repré- sentation d'état pour obtenir un nouveau modèle qui s'écrit : [0088] [Math.7] Cf- -F C,. C,A, Cr - Cf[ 1-1 o o o0 0 mV mV2 mV Cr 2 j.. - C, 1, Cr13. - Cf 1 Cid,. V 0 0 o J 0 0 i f o 1 0 o 0 0 0 o / 1, v 0 0 0 -1 0 D 0 0 0 -21w 2 0 «2 O 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a7 0 O 0 0 0 0 0 0 -raid 0 o 0 o o 0 va° o en s 5 hcre f 5K w \ (Or tr(451( - Sref) 100891 Sur la figure 4, on a représenté sous la forme d'une boucle fermée le modèle compor- temental du véhicule, où T2 représente le modèle du véhicule donné par l'équation 9 Math 1. [0090] Dans cette boucle, ce modèle T2 reçoit en entrée la consigne d'angle de braquage saturée t'in{ et les perturbations w. [0091] Sur la hase de ce modèle T2 et grâce aux résultats de mesure fournis par des capteurs, il est possible d'obtenir un vecteur de sortie y, ici considéré égale à un vecteur d'état x que l'on peut écrire sous la forme : x=ta r eYL CÎ 57L Te sref [0092] Sur cette figure 4, on a également représenté le limiteur de variation de consigne Tl. [0093] L'objectif est alors de déterminer la forme du contrôleur K qui cst le retour d'état permettant de calculer la consigne d'angle de braquage non saturée SK sur la hase de ce vecteur d'état x. [0094] Pour comprendre comment déterminer un contrôleur K qui convienne tant en terme de stabilité que de rapidité, on peut écrire notre modèle comportemental sous une forme générique : [0095] [Math.8] = A(.0)x + 13,(0)8,..ef 13,3/4v y = Cyx [0096] Dans cette équation Cy est la matrice identité, A est une matrice dynamique, B' est une matrice de commande et 13w est une matrice de perturbation, que l'on peut écrire sous la forme : [0097] [Math.9] C +Cr Cr , C' , , Cf MV M V 7 0 0 Crir-C,I, C, I, ,CfL, 0 0 r 0 0 0 0 C: -. 1 ' 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 A = V is V 0 0 0 -1 0 Bw = 0 0 0 0 0 -2{e,) _(,}2 0 e,12 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 CO- 0 0 0 0 0 0 -0)1 0 vat/ 0 0 0 0 0 0 0 0 -vat/ 100981 Le contrôleur K, qui est défini comme un retour d'état statique, peut quant à lui s'exprimer sous la forme : [0099] [Math.10] SK = Kx [0100] Pour trouver un contrôleur K optimal, on peut utiliser différentes méthodes. [0101] La méthode utilisée ici est celle des inégalités matricielles linéaires. Elle est ainsi réalisée à partir de critères d'optimisation convexe sous contraintes d'inégalités matricielles linéaires. [0102] L'objectif est plus précisément d'optimiser les gains de la boucle fermée définie par le contrôleur K en jouant sur le choix des pôles. [0103] Les inéquations matricielles utilisées sont au nombre de trois et sont définies par les inéquations suivantes. [0104] [Math.11] + BÏR + (Ai(2 BiR) 2,e2