FR2930923A1 - Control method for e.g. electronic stability program system, of motor vehicle, involves determining inertial characteristics e.g. center of gravity, of vehicle based on forces at bottom of wheels, and updating values of inertia matrix - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE CONTROLE D'UN SYSTEME DE PILOTAGE DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE D'UNE CAISSE DE VEHICULE AUTOMOBILE. METHOD FOR CONTROLLING A SYSTEM FOR DRIVING THE DYNAMIC BEHAVIOR OF A VEHICLE OF A MOTOR VEHICLE
La présente invention concerne le domaine du contrôle du comportement dynamique d'une caisse de véhicule automobile. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de contrôle d'un système de pilotage du comportement dynamique d'une caisse de véhicule automobile, comprenant les étapes consistant à : établir une matrice d'inertie du véhicule, et piloter le comportement dynamique de la caisse de véhicule en fonction des valeurs de la matrice 15 d'inertie. Un tel procédé est connu de l'homme du métier. Typiquement, à l'heure actuelle, les systèmes de pilotage du comportement dynamique d'une caisse de véhicule automobile, dits systèmes pilotés du châssis, utilisent 20 un modèle de référence comprenant une matrice d'inertie pour prédire la dynamique du véhicule. Pour calculer les moments et produits d'inertie de la matrice d'inertie, il faut disposer d'une description assez fine de la répartition des masses dans les trois 25 dimensions. Elles peuvent être mesurées sur un banc oscillant (les inerties sont alors déduites de la pulsation libre), ou par analyse modale. Elles peuvent être également calculées par méthode 30 numérique à partir d'un modèle de CAO du véhicule, ou par estimation à partir de formules empiriques. Ces dernières sont le plus souvent utilisés pour les calculs de dynamique véhicule. Or dans les systèmes actuels, cette matrice d'inertie est renseignée préalablement dans le modèle de référence avec des valeurs (caractéristiques d'inertie) constantes, ce qui implique l'inconvénient de n'approcher les inerties réelles que pour une version donnée de véhicule. Les versions extrêmes (petites motorisations sans option lourde et forte motorisation avec options lourdes) sont donc paramétrées de manière imparfaite. En outre, le fait de renseigner au préalable la matrice d'inertie implique de ne prendre en compte qu'un état de charge du véhicule. Or, en conditions réelles, les masses et leur répartition dans le véhicule varient (nombre de passagers, position de la charge dans le coffre ou sur le toit). Les valeurs constantes de la matrice sont en général déterminées en fonction d'un état de charge moyen (le plus fréquent). Comme précédemment, les états de charge extrêmes (véhicule vide, réservoir presque vide avec une personne à bord et véhicule au poids total maximum admissible) sont donc pris en compte de manière imparfaite. The present invention relates to the field of controlling the dynamic behavior of a motor vehicle body. More specifically, the invention relates to a method for controlling a dynamic behavior control system of a motor vehicle body, comprising the steps of: establishing a vehicle inertia matrix, and driving the dynamic behavior of the vehicle; vehicle body according to the values of the inertia matrix 15. Such a process is known to those skilled in the art. Typically, at the present time, the dynamic behavior control systems of a motor vehicle body, called chassis controlled systems, use a reference model comprising an inertia matrix for predicting vehicle dynamics. To calculate the moments and inertial products of the inertia matrix, it is necessary to have a rather fine description of the distribution of the masses in the three dimensions. They can be measured on an oscillating bench (the inertia is then deduced from the free pulsation), or by modal analysis. They can also be calculated numerically from a vehicle CAD model, or by estimation from empirical formulas. These are most often used for vehicle dynamics calculations. However, in current systems, this inertia matrix is previously entered in the reference model with constant values (inertia characteristics), which implies the drawback of approaching the real inertia only for a given version of the vehicle. . The extreme versions (small engines without heavy option and strong motorization with heavy options) are therefore imperfectly parameterized. In addition, the fact of previously informing the inertia matrix involves taking into account only a state of charge of the vehicle. However, in real conditions, the masses and their distribution in the vehicle vary (number of passengers, position of the load in the trunk or on the roof). The constant values of the matrix are in general determined according to an average state of charge (the most frequent). As before, the extreme load states (empty vehicle, almost empty tank with a person on board and vehicle with the maximum permissible total weight) are therefore imperfectly taken into account.
Par conséquent, les incertitudes sur les valeurs de la matrice d'inertie pénalisent l'efficacité et la précision du/des contrôleur(s) du dit système, ce qui est non seulement dommageable en cas de situation à risque (accidentogène), mais également nuit au confort des occupants et à la tenue de route du véhicule. Consequently, the uncertainties on the values of the inertia matrix penalize the efficiency and the precision of the controller (s) of said system, which is not only harmful in case of risk situation (accident), but also night to the comfort of the occupants and the road holding of the vehicle.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une solution visant à améliorer la précision actuelle. Avec cet objectif en vue, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme au préambule cité ci-avant, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre des étapes consistant à : déterminer les efforts au pied de chaque roue du véhicule, et en fonction de ceux-ci : déterminer les caractéristiques inertielles du véhicule, et mettre à jour des valeurs de la matrice d'inertie. De préférence, la détermination des efforts au pied de chaque roue du véhicule est comprend une étape consistant à mesurer les efforts au pied de chaque roue du véhicule par des capteurs d'effort. Selon l'invention, la mesure des efforts appliqués à une roue donnée peut se faire au niveau du roulement de la roue, du pneu, ou de tout élément mécanique permettant de reconstruire le torseur d'efforts appliqués à la roue. Dans un mode de réalisation, la mise à jour des valeurs de la matrice d'inertie comprend une étape consistant à calculer lesdites valeurs en fonction desdits efforts en référence à un modèle. Dans un mode de réalisation, le système de pilotage du comportement dynamique d'une caisse de véhicule automobile est au moins l'un des systèmes suivants : un système électronique de stabilité programmé, un système antiroulis actif, un système d'amortissement piloté, ou un autre système piloté, le procédé comprenant une étape de recalage du(des) modèle(s) de véhicule de référence dudit(desdits) système(s) par les valeurs mises à jour de la matrice d'inertie. The present invention aims to overcome these disadvantages by proposing a solution to improve the current accuracy. With this objective in view, the device according to the invention, furthermore in accordance with the preamble cited above, is essentially characterized in that it further comprises the steps of: determining the forces at the foot of each wheel of the vehicle, and based on these: determine the inertial characteristics of the vehicle, and update values of the inertia matrix. Preferably, the determination of the forces at the foot of each wheel of the vehicle comprises a step of measuring the forces at the foot of each wheel of the vehicle by force sensors. According to the invention, the measurement of the forces applied to a given wheel can be done at the level of the rolling of the wheel, the tire, or any mechanical element making it possible to reconstruct the torsor of forces applied to the wheel. In one embodiment, the update of the values of the inertia matrix includes a step of calculating said values as a function of said forces with reference to a model. In one embodiment, the dynamic behavior control system of a motor vehicle body is at least one of the following systems: a programmed electronic stability system, an active anti-roll system, a controlled damping system, or another controlled system, the method comprising a step of resetting the reference vehicle model (s) of said system (s) by the updated values of the inertia matrix.
Dans un mode de réalisation, le procédé selon l'invention comprend en outre des étapes consistant à : déterminer la charge du véhicule en fonction des efforts déterminés, et émettre un signal d'alarme (60) si la charge 10 déterminée est supérieure à une valeur seuil constante enregistrée. Grâce à l'invention, une connaissance en temps réel des efforts appliqués aux pieds de roues permet d'identifier les caractéristiques inertielles (centre de 15 gravité, axes principaux, matrices d'inertie) du véhicule. Grâce à l'invention, une meilleure connaissance des inerties du véhicule particulier améliore la définition et la prédiction du comportement dynamique d'un véhicule 20 dans différentes situations de roulage. Une meilleure connaissance des inerties par les systèmes pilotés du châssis améliore la sécurité active, le confort et le plaisir de conduite des véhicules. Grâce à l'invention, la prédiction de la dynamique 25 du véhicule est améliorée, notamment par le fait d'asservir la prédiction à la mesure des efforts. Avantageusement, la mesure des efforts permet de reconstruire l'accélération transversale, donc de pouvoir supprimer la nécessité d'un capteur d'accélération. 30 Selon l'invention, on peut également mettre en oeuvre, outre les capteurs d'effort, des capteurs d'inertie selon l'art antérieur, la prédiction de la trajectoire du véhicule est alors encore plus précise, et la détermination de la masse du véhicule (connaissant les efforts et l'accélération) facile. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 illustre un mode de réalisation du procédé selon l'invention, et la figure 2 illustre un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Les modèles de référence des systèmes pilotés utilisent classiquement des caractéristiques inertielles constantes renseignées lors du paramétrage de leur calculateur. Un modèle de dynamique véhicule reconstruit ensuite les efforts aux pieds de roues du véhicule. Par exemple aujourd'hui, les calculateurs de systèmes antiroulis actif disposent d'informations telles que : • l'accélération transversale du véhicule, • la vitesse du véhicule, • l'angle volant, et • la vitesse de lacet. A cet effet, des capteurs par exemple inertiels permettent de reconstruire les efforts verticaux à chaque roue mais, en complément des inconvénients cités en début de description, plusieurs difficultés pénalisent la précision de l'estimation, donc du pilotage du comportement dynamique. In one embodiment, the method according to the invention further comprises the steps of: determining the vehicle load as a function of the determined forces, and emitting an alarm signal (60) if the determined load is greater than one constant threshold value recorded. Thanks to the invention, a real-time knowledge of the forces applied to the wheel stands makes it possible to identify the inertial characteristics (center of gravity, main axes, inertia matrices) of the vehicle. Thanks to the invention, a better knowledge of the inertia of the particular vehicle improves the definition and the prediction of the dynamic behavior of a vehicle 20 in different rolling situations. A better knowledge of the inertia by the controlled systems of the chassis improves the active safety, the comfort and the driving pleasure of the vehicles. Thanks to the invention, the prediction of the dynamics of the vehicle is improved, in particular by enslaving the prediction to the measurement of the forces. Advantageously, the measurement of the forces makes it possible to reconstruct the transverse acceleration, thus of being able to eliminate the need for an acceleration sensor. According to the invention, it is also possible to implement, in addition to the force sensors, inertia sensors according to the prior art, the prediction of the trajectory of the vehicle is then even more precise, and the determination of the mass vehicle (knowing the effort and acceleration) easy. Other characteristics and advantages of the present invention will emerge more clearly on reading the following description given by way of illustrative and nonlimiting example and with reference to the appended figures in which: FIG. 1 illustrates one embodiment of the method according to the invention, and FIG. 2 illustrates an embodiment of the method according to the invention. The reference models of the controlled systems conventionally use constant inertial characteristics indicated during the setting of their computer. A dynamic vehicle model then rebuilds the forces at the wheels feet of the vehicle. For example today, active anti-roll systems computers have information such as: • vehicle acceleration, • vehicle speed, • steering angle, and • yaw rate. For this purpose, sensors for example inertial allow to reconstruct the vertical forces at each wheel but, in addition to the disadvantages mentioned at the beginning of the description, several difficulties penalize the accuracy of the estimate, therefore the control of the dynamic behavior.
Par exemple, en régime quasi-stationnaire, l'estimation des efforts verticaux aux quatre roues est faite à partir d'informations pré-renseignées comme la masse du véhicule, la position dans l'espace du centre de gravité et une estimation des accélérations longitudinales et transversales subies par le véhicule. Ces deux dernières informations peuvent être mesurées à l'aide d'un capteur inertiel. Pour connaître les efforts à chaque roue, il faut une connaissance précise des raideurs et amortissements à chaque quart de véhicule. Or, ces valeurs dépendent de la position verticale de la roue, des raideurs parasites de la suspension, et de la contribution des éléments actifs et passifs intimement liés. Et la position verticale de la roue est liée à son état de charge. Par ailleurs, sur un coup de volant par exemple, les efforts verticaux varient en fonction des sollicitations dynamique de la caisse et des roues. En dehors du régime quasi-stationnaire, il faut prendre en compte les mouvements transitoires de la caisse en roulis et lacet couplés. Et les produits d'inerties sont particulièrement difficiles à déterminer. For example, in quasi-stationary mode, the estimation of the vertical forces to the four wheels is made from pre-specified information such as the mass of the vehicle, the position in the space of the center of gravity and an estimate of the longitudinal accelerations. and transverse conditions experienced by the vehicle. These last two pieces of information can be measured using an inertial sensor. To know the efforts at each wheel, it requires a precise knowledge of stiffness and damping at each quarter of the vehicle. These values depend on the vertical position of the wheel, the parasitic stiffness of the suspension, and the contribution of the intimately linked active and passive elements. And the vertical position of the wheel is related to its state of charge. Moreover, on a steering wheel, for example, the vertical forces vary depending on the dynamic stresses of the body and wheels. Outside the quasi-stationary regime, it is necessary to take into account the transient movements of the body in roll and yaw coupling. And the products of inertia are particularly difficult to determine.
En outre, par simplification, on fait généralement l'hypothèse que le véhicule est symétrique par rapport à un plan xz, les produits d'inerties dans un plan xy et dans un plan yz sont parfois considérés comme nuls. Mais cette hypothèse simplificatrice peut s'avérer plus ou moins fausse suivant l'architecture du véhicule (ensemble moteur, boîte de vitesses, accessoires lourds déportés vers l'extérieur du véhicule...). Enfin, au niveau d'une roue subissant un battement vertical généré par des obstacles de la route, l'absorption de cette énergie par les éléments du châssis (pneu, articulation, amortissement, etc.) empêche une connaissance précise des efforts verticaux sur ladite roue. L'ensemble de ces éléments traduit qu'à l'heure actuelle, on utilise des estimations des efforts aux roues, ce qui implique des approximations, des imprécisions dans le pilotage du comportement dynamique d'une caisse de véhicule automobile 100. Pour pallier à ces inconvénients, l'invention met en oeuvre des capteurs d'efforts. In addition, for simplicity, it is generally assumed that the vehicle is symmetrical with respect to a plane xz, the inertia products in a plane xy and in a plane yz are sometimes considered null. But this simplifying assumption can be more or less false according to the architecture of the vehicle (engine assembly, gearbox, heavy accessories deported to the outside of the vehicle ...). Finally, at the level of a wheel undergoing a vertical beat generated by obstacles in the road, the absorption of this energy by the chassis elements (tire, articulation, damping, etc.) prevents precise knowledge of the vertical forces on said wheel. All of these elements translate that, at the present time, estimates of wheel forces are used, which implies approximations and inaccuracies in the control of the dynamic behavior of a motor vehicle body 100. These disadvantages, the invention implements stress sensors.
Les capteurs d'efforts 101, 102, 103, 104 sont positionnés par exemple au niveau des roulements, soit un capteur par roue. Un capteur d'effort comprend au moins une jauge de déformation, et sous l'effet des efforts appliqués un signal relatif à la déformation est émis et interprété par un algorithme configuré pour déterminer 20 précisément lesdits efforts appliqués. Grâce à ces capteurs d'efforts, on peut ainsi déterminer les efforts au pied de chaque roue du véhicule. En l'espèce on reconstruit pour chaque roue le torseur d'efforts dans les trois dimensions de l'espace d'un repère orthonormé OXYZ, avec OX l'axe longitudinal, OY l'axe transversal et OZ l'axe vertical. En fonction de ces efforts, on peut alors déterminer les caractéristiques inertielles 30 du véhicule. Les caractéristiques inertielles d'un véhicule comprennent dans le repère orthonormé XYZ : • la masse m du véhicule, • la position de centre de gravité G, • les moments d'inertie Ioxx, Ioyy, Iozz, et • les produits d'inertie Ioxy, Ioxz, Ioyz. The force sensors 101, 102, 103, 104 are positioned for example at the level of the bearings, ie one sensor per wheel. A force sensor comprises at least one strain gauge, and under the effect of applied forces a signal relating to the deformation is transmitted and interpreted by an algorithm configured to precisely determine said applied forces. Thanks to these force sensors, it is possible to determine the forces at the foot of each wheel of the vehicle. In this case the torsor of forces in the three dimensions of the space of an orthonormal coordinate system OXYZ is reconstructed for each wheel, with OX the longitudinal axis, OY the transverse axis and OZ the vertical axis. Depending on these efforts, it is then possible to determine the inertial characteristics of the vehicle. The inertial characteristics of a vehicle comprise in the orthonormal reference system XYZ: the mass m of the vehicle, the center of gravity position G, the moments of inertia Ioxx, Ioyy, Iozz, and the inertia products Ioxy , Ioxz, Ioyz.
Grâce à ces mesures d'efforts 10, on alors mettre à jour 40 des valeurs de la matrice d'inertie en remplaçant les valeurs enregistrées par les valeurs déterminées, issues des mesures. With these effort measurements 10, it is then possible to update 40 values of the inertia matrix by replacing the values recorded by the determined values resulting from the measurements.
Pour la mise à jour, le calcul des valeurs de la matrice d'inertie comprend une étape consistant à calculer lesdites valeurs en fonction desdits efforts en référence à un modèle reposant sur les propriétés des modes de corps solides d'une structure suspendue. Le véhicule est considéré comme compose d'une masse suspendue sur quatre éléments (pour un véhicule à quatre roues) non suspendus en contact avec le sol. Selon l'invention le modèle comprend essentiellement deux composantes. For the update, the calculation of the values of the inertia matrix includes a step of calculating said values as a function of said forces with reference to a model based on the properties of the solid body modes of a suspended structure. The vehicle is considered as consisting of a mass suspended on four elements (for a vehicle with four wheels) not suspended in contact with the ground. According to the invention, the model essentially comprises two components.
Une première composante met en oeuvre le théorème de la résultante dynamique. La cinématique permet de connaître la position, la vitesse et l'accélération de tous les points du véhicule. m. Y ù E (Fext/véh ) L'accélération y (dans les trois dimensions) du centre de gravité G du véhicule en mouvement par rapport à un repère fixe 0 multipliée par la masse m du véhicule est égale à la somme des forces Fext/véh extérieures appliquées au solide (véhicule). A first component implements the dynamic resultant theorem. The kinematics allows to know the position, the speed and the acceleration of all the points of the vehicle. m. Y ù E (Fext / veh) The acceleration y (in three dimensions) of the center of gravity G of the moving vehicle with respect to a fixed reference point 0 multiplied by the mass m of the vehicle is equal to the sum of the forces Fext / external veh applied to the solid (vehicle).
Une deuxième composante met en oeuvre le théorème du moment dynamique. La dynamique permet de connaître les efforts et les couples en tous les points du véhicule. ô (véh/G) ù [M] • Fext/G Le moment dynamique ô (véh/G) du véhicule par rapport 30 à son centre de gravité G est égal à la somme des moments [M] des forces extérieures appliquées au véhicule ramenés au centre de gravité Fext/G. A second component implements the dynamic moment theorem. The dynamics allows to know the efforts and the couples in all points of the vehicle. δ (veh / G) ù [M] • Fext / G The dynamic moment δ (veh / G) of the vehicle with respect to its center of gravity G is equal to the sum of the moments [M] of the external forces applied to the vehicle brought back to the center of gravity Fext / G.
A partir des efforts mesurés, on peut alors déterminer la masse m et la répartition des masses du véhicule, donc la position du centre de gravité du véhicule, quelle que soit la charge et la présence éventuelle d'une remorque de celui-ci. Par exemple, lorsque le véhicule est arrêté sur sol horizontal, les efforts verticaux donnent directement le poids à chaque roue, ce qui permet de déduire directement la masse m du véhicule et la position dans le plan X,Y de son centre de gravité. Ainsi, grâce à l'invention, la masse m du véhicule chargé étant déterminée, et la masse à vide du véhicule étant connue, on peut déterminer la charge du véhicule en fonction des efforts déterminés. From the measured forces, one can then determine the mass m and the distribution of the masses of the vehicle, therefore the position of the center of gravity of the vehicle, whatever the load and the possible presence of a trailer thereof. For example, when the vehicle is stopped on horizontal ground, the vertical forces give the weight directly to each wheel, which allows to deduce directly the mass m of the vehicle and the position in the plane X, Y of its center of gravity. Thus, thanks to the invention, the mass m of the loaded vehicle being determined, and the empty mass of the vehicle being known, it is possible to determine the load of the vehicle as a function of the determined forces.
En fonction de la valeur soit de la charge soit de la masse m, on peut émettre 50 un signal d'alarme si la charge déterminée (ou la masse) est supérieure à une valeur seuil constante enregistrée. En dynamique, on peut déterminer la position du centre de gravité selon l'axe vertical Z, les moments d'inertie Ioxx, Ioyy, Iozz et les produits d'inertie Ioxy, Ioxz, Ioyz de manière beaucoup plus précise que la valeur prédéterminée constante des stratégies de l'art antérieur. Depending on the value of either the load or the mass m, an alarm signal may be emitted if the determined load (or ground) is greater than a stored constant threshold value. In dynamics, it is possible to determine the position of the center of gravity along the vertical axis Z, the moments of inertia Ioxx, Ioyy, Iozz and the products of inertia Ioxy, Ioxz, Ioyz much more precisely than the constant predetermined value. strategies of the prior art.
Les informations mises à jour de la matrice d'inertie peuvent alors être envoyées au contrôleur 105 d'un système piloté 106 pour recaler 40 son modèle de véhicule de référence. Le système piloté 106 peut par exemple être un système électronique de stabilité programmé (ESP) 51, un système antiroulis actif 52, un système d'amortissement piloté 53, ou autre 54. The updated information of the inertia matrix can then be sent to the controller 105 of a controlled system 106 to reset its reference vehicle model. The controlled system 106 may for example be a programmed electronic stability system (ESP) 51, an active anti-roll system 52, a controlled damping system 53, or the like 54.
L'invention est avantageusement mise en oeuvre pour les véhicules légers moteurs à l'avant. En effet, pour ces véhicules, la charge sur le train arrière est faible et la charge utile embarquée est prépondérante sur les roues arrière (nombre de passagers, remplissage du coffre). Le centre de gravité recule donc notablement en charge et l'équilibre du véhicule en virage est tel que la dérive des pneumatiques arrière croît plus que celle des pneumatiques avant. The invention is advantageously implemented for light-duty vehicles at the front. Indeed, for these vehicles, the load on the rear axle is low and the onboard payload is preponderant on the rear wheels (number of passengers, filling the trunk). The center of gravity therefore falls significantly under load and the balance of the vehicle cornering is such that the drift of the rear tires grows more than that of the front tires.
Avec la charge, un tel véhicule voit son caractère évoluer vers une réduction de son sous-virage pouvant aller jusqu'au survirage. Un conducteur aura donc des sensations de conduite désagréables et devra s'adapter à ce nouveau comportement plus "sensible". With the load, such a vehicle sees its character evolve towards a reduction of its understeer that can go up to oversteer. A driver will therefore have unpleasant driving feelings and will have to adapt to this new, more "sensitive" behavior.
Grâce à l'invention, une prise en compte plus précise de l'évolution de la matrice d'inerties permet d'adapter les stratégies de commande des systèmes pilotés. Par exemple pour une système antiroulis actif, la balance antiroulis permet de corriger cette tendance au survirage en adaptant les couples antiroulis dans le sens du sous-virage et permet de s'opposer aux effets de la charge. Le conducteur conserve alors des sensations de conduite agréables, gage de gain de confort et de sécurité active pour celui-ci. Thanks to the invention, a more precise taking into account of the evolution of the inertia matrix makes it possible to adapt the control strategies of the controlled systems. For example, for an active anti-roll system, the anti-roll balance makes it possible to correct this tendency to oversteer by adapting the anti-roll torques in the direction of understeer and makes it possible to oppose the effects of the load. The driver then retains pleasant driving sensations, pledge of comfort and active safety for it.
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