FR 3054660 A1 20180202 FR 1657145 A 20160726 1 PR- ZEDE POUR ESTUTR L :21ASSE D'UM VEHICULE AUTO-1C3ILE L'invention concerne un procédé pour estimer la masse d'un véhicule automobile. La masse d'un véhicule automobile est un paramètre susceptible à variation suite à un chargement et/ou la traction d'une remorque/caravane. Dans ce dernier cas, on considère que la remorque/caravane fait partie intégrante du véhicule. Or la masse du véhicule est un paramètre souvent pris en compte pour certaines fonctions du véhicule, par exemple la régulation de vitesse, qui nécessite une précision dans l'estimation de la masse. Comme décrit notamment dans le document FR2765682, il est connu d'estimer la masse du véhicule en fonction du couple moteur fourni aux roues par le groupe motopropulseur, de la vitesse de rotation des roues, de la pression du maître-cylindre du système de freinage, et de la pente de la voie de circulation empruntée par le véhicule à l'instant considéré. Cette détermination est notamment utile lorsque le véhicule est chargé et/ou tracte une remorque ou une caravane. Cependant les estimateurs de masse de l'état de l'art sont incomplets, sensibles à l'assiette statique du véhicule et fournissent donc des erreurs dans l'estimation de la masse. L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la précision de l'estimation de la masse d'un véhicule. Elle propose notamment à cet effet un procédé de détermination de la masse m d'un véhicule, automobile, caractérisé en ce que la masse est estimée à partir de l'expression (3) suivante, hors phase de freinage du 1 dFmot véhicule et dans les phases de roulage où le terme innorrunal dt est supérieur à un seuil déterminé : - dF mot dt (3) avec : 3054660 2 dFmot dt : variation de l'effort moteur généré aux roues du véhicule ; le rayon des roues étant un paramètre déterminant pour l'estimation de la masse d2V dt2 : variation de l'accélération innomina/: masse à vide du véhicule V vitesse du véhicule Selon une autre caractéristique, la masse est estimée à partir de l'expression (3) en tenant compte de la variation de la pente et de la variation des efforts résistants : dFmot d eirn dt dt 1,v d2V de dt2 dt ( 5 ) avec : ±f (v) dt variation des efforts résistants d9 dt : variation de la pente Selon une autre caractéristique, l'estimation de la masse prend en 15 compte les accélérations latérales subies par le véhicule en les introduisant dans l'équation (1) exprimant le principe fondamental de la dynamique : dV L AR =--7n - - 0(0 -f(V) - m - - 9Rous - alat dt (7) avec : L : empattement du véhicule 20 LAR : distance du centre de gravité du véhicule au train avant BR°14e : angle de braquage moyen des roues avant ai& : accélération latérale Selon une autre caractéristique, sachant que l'accélération latérale s'exprimant selon le formule suivante : V2 25 aiat = - URoue m 10 3054660 3 il vient donc un terme supplémentaire : LAR. (V 611°e e )2 " et que la variation de l'accélération latérale induite par ce terme est approximativement égale à: 2 1 (rn. (1) = 2. m1.2" - 2 . V. evoa't . (0 voia_nt + V. del'aiett) L AR - L demu 1 dr dr dr (8) avec : evoiant. : l'angle volant 10 demul : la démultiplication volant roue il consiste à: - soit calculer en permanence le terme d V (0 - r dV + V der°1"i) et - demu - - 1, o.ant - o.ant dt - dt -c17(171. L AR -- (17.5e1.°11 2) = 2. nt1P inhiber l'estimateur lorsque le terme supplémentaire est supérieur en 15 valeur absolue à un seuil déterminé - soit le prendre en compte dans l'estimation. Selon une caractéristique, l'estimation de la masse prend en compte les inerties tournantes dans l'expression (5) pour s'écrire : rn (d2Vdt9\ dFmat d , d2V + g. f( V) dr dt dr-'V) rn(rappart). dr2 20 Avec m(rappor paramètre véhicule invariant incluant des éléments du véhicule dont la masse ne va pas varier. Selon une autre caractéristique, le rayon de roue paramétré pour calculer l'estimation de la masse est corrigé en utilisant un système de navigation embarqué dans le véhicule. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des figures annexées dans lesquelles : La figure 1 illustre un ordre de grandeur du « jerk » maximal dû à la pente exprimé en m/s3, en fonction de la vitesse du 30 véhicule exprimée en km/h ; et La figure 2 illustre un enregistrement de roulage dans lequel on superpose successivement les différents ( 9 ) 3054660 4 d2 V de dr,r d termes m dt2 im. 9. dt f df " t dt - Le principe du procédé d'estimation selon l'invention repose sur le principe fondamental de la dynamique qui peut s'exprimer par l'équation suivante : dV + FFrein Hydraulique (1) m = -m. g. 0(0 - f(V) + Fmot dt avec : m : la masse du véhicule, incluant le cas échéant la masse d'un élément tracté type remorque/caravane 10 y : vitesse du véhicule g: accélération de la pesanteur dv/dt : l'accélération longitudinale du véhicule f (V) : les efforts résistants, c'est-à-dire les efforts s'opposant au mouvement du véhicule : efforts aérodynamiques, résistance au roulement 15 des pneumatiques, etc... qui sont classiquement considérés comme étant fonction uniquement de la vitesse du véhicule Fmo t : L'effort global fourni aux roues par le groupe motopropulseur du véhicule. Lorsque le véhicule est dans un mode de roulage dit de « coasting » 20 (mode de roulage dit « en roue libre »), cet effort est nul. Lorsque le véhicule est dans un mode de roulage dit « en prise » (mode de roulage pour lequel le groupe motopropulseur est couplé aux roues), il correspond à l'effort transmis aux roues par le groupe motopropulseur 25 FFREIN HYDRAULIQUE : L'effort global généré par le freinage hydraulique lorsqu'il y en a. 0 : pente de la route On sait par expérience qu'il est complexe d'estimer un effort de freinage hydraulique à partir de la pression dans les freins. On se propose 30 donc de n'estimer la masse que dans des phases où le véhicule n'est pas freiné, ce qui réduit l'expression (1) à: 3054660 dt rn = -m. g. 61(t) - f (V) + F,'" (2) dt Naturellement, l'accélération du véhicule est la résultante des effets suivants : - l'eut moteur généré aux roues ; la pente éventuelle ; les efforts aérodynamiques, la résistance au roulement, etc... Intuitivement, la capacité d'estimer la masse (imaginer que l'on tire une caravane) est favorisée lorsque le couple moteur est important. Il vaut 111:3UX 10 donc estimer la masse lors d'accélérations importantes sous couple moteur. Une forte accélération peut également être due à une pente importante. Enfin, les efforts aérodynamiques et la résistance au roulement pourraient également influer sur l'estimation de la masse. Afin de « séparer » les effets, la meilleure façon d'estimer la masse 15 est d'estimer le « jerk » d'accélération longitudinale du véhicule. Le terme « jerk » est souvent utilisé pour désigner une variation de l'accélération longitudinale. I s'exprime comme la dérivée du vecteur d2V accélération soit la dérivée seconde de la vitesse dt2 ou encore la dérivée troisième de la distance par rapport au temps. dFmor 20 En effet, si les variations temporelles de couple moteur dt d° peuvent être importantes, les variations temporelles de pente g. dt le sont d beaucoup moins, et les variations des efforts résistants dtf(v) encore moins importantes. L'estimation de la masse repose donc principalement sur l'équation 25 suivante, globalement valable hors phases de freinage, et peut s'exprimer en première approximation par l'expression suivante : d2V dFmorrv dt2 dt (3) 3054660 6 La majorité des véhicules dispose aujourd'hui d'un accéléromètre apte à mesurer une pente et le sens de la pente. D'autre part, la variation des efforts résistants consiste uniquement dans la variation des efforts aérodynamiques (les autres efforts résistants sont constants) et peut donc être aisément approximés par exemple comme suit : d d(aV2) dV e -f (V) = dt = 2.a.V. dt (4) avec a typiquement de l'ordre de o . 5 de 10 Il est alors aisé d'injecter quand même les variations de pente d et des efforts résistants dt-f(V) dans l'expression (3) pour préciser l'estimation de la masse m : m dF', d dtdtf(V) d2V de 7 + g . dt- dt (5) 15 Il est important de noter que dans l'expression (5), c'est la variation de de la pente g. dt qui intervient pour l'estimation de masse, ce qui permet de s'affranchir de l'impact d'une éventuelle assiette statique sur l'estimation de la masse. On considère, ci-après, les différents termes de l'expression (5), 20 considérés les uns après les autres, afin de comprendre de façon quantitative pourquoi les termes des efforts résistants et de pente ont peu d'impact sur l'estimation de la masse m et donc pourquoi en première approximation, la masse peut s'écrire selon l'expression (3). Lors d'une accélération, le terme de l'expression (4), rappelée ci-dessous, d d(aV2) dV - f (V) = = 2 a V. - dt 25 dt - - dt est majoré approximativement par le ratio entre la puissance du moteur et la masse du véhicule. L'expression (4) peut alors s'écrire : 3054660 7 d d(aV2) dV Fmor P , = 2.a. V. ''-' 2. a. V . = 2. a. ' dt dt dt in in (6) Avec Pinot la puissance fournie par le moteur Pour un véhicule de 1500 kg développant une puissance de 150 d drf(v) kW, cela induit donc que le terme sera finalement inférieur à 100N/s. dF,2', Concernant le terme dt , il est équivalent à la variation du couple moteur multiplié par un gain de démultiplication offert par les rapports de la boite de vitesses du véhicule : 10 - avec le premier rapport de vitesse (hère), de l'ordre de 50 m-1 - avec le deuxième rapport de vitesse (2nde), de l'ordre de 20 m-1 - avec le troisième rapport de vitesse (3ième), de l'ordre de 15 m-1 Donc en considérant un couple de 100 N.m montant en 1 s, on voit 15 que ce terme peut facilement atteindre 2000 N/s en 2nde, 1500 N/s en 3ième, ... donc plus de 15 fois le maximum du terme aérodynamique. d2v Concernant le terme dt2 qui est le « jerk » sous variation du couple dFmot moteur : il s'exprime simplement par le terme précédent fit divisé par la masse m. 20 Il peut donc facilement atteindre 1m/s3, voire davantage si la dynamique de couple est plus importante de Enfin, concernant le terme , en prenant en compte des règles usuelles de conception des routes, on arrive typiquement à des valeurs maximales pour le « jerk » du type de la figure 1 représentant l'évolution du 25 « jerk » maximal dû à la pente, exprimé en m/s3, en fonction de la vitesse du véhicule exprimé en km/h. On voit que les valeurs maximales sont atteintes pour des vitesses avoisinant les 20 km/h. 3054660 8 Ce sont des valeurs « pire cas » qui sont du même ordre de d2V grandeur que des « jerks » sous accélération dt2 du groupe motopropulseur qui elles sont obtenues régulièrement. Même si ces valeurs du jerk dû à la pente, peuvent être du même ordre de grandeur, elles seront, en, moyenne, rarement atteintes. Afin d'illustrer ces ordres de grandeur, on présente à la figure 2, un enregistrement de roulage dans lequel on superpose successivement les d2V de dFmot. d dt dtf(V) différents termes dt2 dt On voit sur cet enregistrement que : 10 d le terme -j(V) est négligeable : il atteint 20 N/s (à peine discernable dt - sur l'enregistrement) - le terme m.g. cet peut effectivement monter ponctuellement jusqu'à 15 500N/s et dans certains cas, explique le « jerk » du véhicule d2V dFTTIOt - les termes m- et sont effectivement les termes dt2 dt prépondérants la plupart du temps et sont quasiment superposés sur l'enregistrement. 20 En repartant de l'expression (5), l'estimation consiste simplement à effectuer une régression linéaire entre les termes : d2V de + g. - dt et dt f (V) 25 cit dans des phases où le véhicule ne freine pas, et dans les phases de roulage 1 dFmc où le terme m-norrunai dt est supérieur à un seuil déterminé (typiquement de l'ordre de 0.2 m/s3) afin d'exclure des situations de vie qui ne font pas apparaître clairement l'effet de la masse du véhicule. 30 avec Mnominal : masse à vide du véhicule d F d 3054660 Dans les phases de changement de rapport, pour lesquelles l'estim-tion de l'effort moteur Fmot est difficilement estimable, on inhibe l'estimateur. D'autre part, considérer une démultiplication constante n'a pas 5 de sens. Pour préciser encore plus l'estimation, il peut être souhaitable de prendre en compte les accélérations latérales que subit le thicule, notamment dans un virage. L'expression (2) donne une bonne estimation de la masse d'un 10 véhicule en ligne droite. En virage, il pourrait y avoir un biais induit par les accélérations latérales. En prenant en compte ce biais, par exemple, en virage stabilisé, _vec une accélération latérab mat, l'expression (2) peut alors s'écrire : dV -m. g. Kt) - f(V)Fmot- LAR (7) 49 L °Rou dt 15 avec : L : empattement du véhicule LAR : distance du centre de gravité du véhicule au train avant eltoue: angle de braquage moyen des roues avant 20 aiat : accélération latérale Sachant que l'on peut approximativement exprimer l'accélération latérale selon : alat = - - il vient donc un terme supplémentaire : 25 v.oR'', \ 7 L Si on écrit ensuite que l'angle de braquage des roues est l'angle volant que divise la démultiplication de direction eVo Iant Ra' demul , 30 alors le « jerk » induit par ce terme est donc approximativement égal à: VA'Rew m. LAR. = 11 2.L2e. dV u n _L ye- . 61"lant dt dt L avec : owne : l'angle volant 3054660 10 d ul : la démultiplication volant roue, donc de l'ordre de 20, par exemple. Par exemple, un angle volant de 45° avec une vitesse volant de 90°/s induit à 70km/h un « jerk » de l'ordre de - 0.6m/s3. On peut donc, en partant du principe que l'on mesure en permanence l'angle volant, la vitesse volant, et la vitesse véhicule (ce qui est le cas sur tous les véhicules récents) : - soit calculer en permanence le terme dt m. L 2:91LAR . V. Volant -ce + V et L2 - demu /2 Vo .arst - dt dt inhiber l'estimateur lorsque ce terme est supérieur en valeur absolue 10 à un seuil déterminé - soit le prendre en compte dans l'estimation Si on prend mai.-.tenant en compte les inerties tournantes (par inertie tournante, on entend l'inertie des éléments en rotation dans le véhicule), on distingue deux types d'inerties tournantes : 15 celles induisant une « masse équivalente » invariante avec le rapport de boîte (roues, différentiel, ...) ; celles induisant une « masse équivalente » variable en fonction du rapport de boite (donc principaler- 7'nt l'inertie moteur) Dans ce cas, l'expression (5) s'écrit donc en fait : dFmo d d 2V f (V) - rnfrapport).- 20 dt2 dtJ dt dt dt2 (9) Le terme m(rapport) est un paramètre véhicule invariant, puisqu'il inclut des éléments du véhicule dont la masse ne va pas varier (Inertie moteur, Inerties Rous, ...). Par contre, ce terme est clairement fonction du rapport de boite (Par exemple, la masse équivalente due à l'inertie moteur 25 est d'autant plus faible que le rapport de boite est élevé) En pratique, les mesures en entrée sont les suivantes : Vitesses de rotation de roues : Accélération longitudinale de l'accéléromètre longitudinal : yfc',gi ou directement une pente estimée O fournie par exemple par le 30 calculateur de freinage. Couple Moteur : Régime moteur w,©t d'il de 3054660 11 Les paramètres sont les suivants : Rayon de Roue : R __Roue Coefficient macro aérodynamique : a = p. SC., En écrivant que : cil V d) Roue ( 10 ) dt2 = RRoue° dt3 ou directement (si l'accélération longitudinale est directement disponible) d2 V de dyion,' + g. = dt2 dt dt (11) dFmot mot dCmot = 6-'mot dC mot (12) dt V dt RRoue-c'Soue dt dco 2.a. (R Roue) 2 . W. -- dt ( 13 ) d2V d2 e.g) Tri(r apperrt). dt2 = Inerties. dt2 (14) x(t) =d9 RRoue-ce citle:ue + g. dt RRoue- (')Roue dt dz Roue d t2 Y(t) = eimot dCmor 2. a . Row') 2 ei Ro ue -ckjdre Inerties. (16) Et en estimant la masse selon la méthode des moindres carrés cov(x.y) (17) "estime' = var (X) Il est à noter que l'on n'utilisera pas directement les valeurs X(t) et Y(t), mais des valeurs filtrées, à savoir que l'opérateur d/dt qui intervient ci- 25 dessus dans les expressions X(t) et Y(t) sera en pratique une dérivée filtrée. Par ailleurs, le rayon R _Roue peut varier en fonction de la pression des pneus, de la masse, ... Une façon de l'estimer plus précisément serait de recaler le rayon de roue P -Roue en utilisant la vitesse linéaire estimée par le système de navigation, si celui-ci est présent sur le véhicule. 30 On a donc décrit ci-dessus, plusieurs estimations de la masse d'un 10 15 20 d dtf dYlong x(t) = Ou dt (15) 3054660 12 véhicule toutes basées sur la variation de l'accélération longitudinale d'un véhicule en partant d'une approximation vérifiée par les ordres de grandeurs des effets impactant l'estimation de la masse, puis en prenant en compte malgré tout, les termes dont les effets étaient peu impactant afin de préciser encore plus cette estimation. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la masse (m) d'un véhicule, automobile, caractérisé en ce que la masse est estimée à partir de l'expression (3) suivante, hors phase de freinage du véhicule et dans les 1 dF',t phases de roulage où le terme relnaminai dt est supérieur à un seuil déterminé : 10 avec : dFmot dt : variation de l'effort moteur généré aux roues du véhicule ; le rayon des roues étant un paramètre déterminant pour l'estimation de la masse d2V dt2 : variation de l'accélération 15 11/no'''aj: masse à vide du véhicule V vitesse du véhicule 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse est estimée à partir de l'expression (3) en tenant compte de la variation de la pente et de la variation des efforts résistants : ciFmot d dr (W- f (V) 0 20 ( 5 ) avec : (V) cit. : variation des efforts résistants dB g. dt : variation de la pente 25 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'estimation de la masse prend en compte les accélérations latérales subies 3054660 14 par le véhicule en les introduisant dans l'équation (1) exprimant le principe fondamental de la dynamique : dV L AR -dt -m. . Kt) - f (V) + In- - ° Roue - alat (7) avec : L : empattement du véhicule LAR : distance du centre de gravité du véhicule au train avant eRo ue angle de braquage moyen des roues avant aiat : accélération latérale 4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce sachant que l'accélération latérale s'exprimant selon le formule suivante : afat = °Roue il vient donc un terme supplémentaire : \ 2 15 M. L A V.ORme R . L et que la variation de l'accélération latérale induite par ce terme est approximativement égale à: d , (n9R.)2) m.LAR , = .V V. ointe - (0 V olcrnt + v.'") LAR. L dr dc (8) 20 avec : evoicnt : l'angle volant demu! : la démultiplication volant roue il consiste à: 25 soit calculer en permanence le terme d ( Ve Roue 2\ -711. L'..( ) ) =- 2.--1-rn1". 1 L dernu 12 .V. °Volant -(eVoiatuddVt + V .del 1141 et dt L inhiber l'estimateur lorsque le terme supplémentaire est supérieur en valeur absolue à un seuil déterminé - soit le prendre en compte dans l'estimation 30 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'estimation de la masse prend en compte les inerties tournantes dans l'expression (5) 3054660 15 pour s'écrire : (9) d2V dO) dF d2V mot d f (V) rn(r appert) d t dt - dt2 Avec rn(rapport) paramètre véhicule invariant incluant des éléments du véhicule dont la masse ne va pas varier . 6. Procédé selon l'un: des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rayon de roue paramètre pour calculer l'estimation de la masse est corrigé en utilisant un système de navigation embarqué dans le véhicule.10