ES2303237T3 - Procedimiento y sistema de ayuda en el giro de las ruedas directrices de un vehiculo asi equipado. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de ayuda en el giro de las ruedas directrices de un vehículo (3 y 4), en el cual se aplica un avance de fase (f) entre un volante de dirección (8) y un elemento de cremallera (14) a fin de disminuir el tiempo de respuesta del vehículo a una acción del conductor del vehículo sobre dicho volante de dirección, siendo medidas o estimadas la velocidad de rotación (a'') y la aceleración angular (~a) del volante de dirección y emitiéndose una consigna de giro de las ruedas directrices en función de dichas velocidad de rotación y aceleración angular.

Description

Procedimiento y sistema de ayuda en el giro de las ruedas directrices de un vehículo así equipado.

La presente invención procede del campo de la dirección de vehículos terrestres, en particular de vehículos automóviles provistos de un mecanismo de dirección asistida o de una dirección eléctrica.

De manera clásica, los vehículos automóviles están provistos de un chasis, de un habitáculo, de ruedas unidas al chasis por un mecanismo de suspensión con unas ruedas delanteras directrices mandadas por un volante a disposición del conductor en el habitáculo del vehículo. Entre el volante y las ruedas, está prevista una columna de dirección solidaria en rotación con el volante, cuyo extremo inferior está provisto de un piño que actúa sobre una cremallera que permite hacer girar las ruedas alrededor de un eje sensiblemente vertical, a fin de asegurar su orientación y la rotación del chasis del vehículo.

Los mecanismos de dirección de este tipo pueden estar provistos de una asistencia hidráulica o eléctrica que permite reducir los esfuerzos del conductor, en particular durante las maniobras con el vehículo parado, por ejemplo, una maniobra de aparcamiento.

Más recientemente, han aparecido unas direcciones eléctricas que comprenden un sensor de la posición angular del volante montado a distancia de un actuador que actúa sobre la cremallera en función de la posición angular detectada por el sensor al cual está unido por un enlace de cable.

El documento EEUU A 884 724 describe una dirección con una relación de desmultiplicación variable, con mantenimiento de una relación de desmultiplicación constante durante algunos instantes en el curso de una maniobra dinámica a fin de evitar perturbar al conductor. La desmultiplicación puede ser pequeña a baja velocidad para facilitar la maniobra del vehículo que se intenta aparcar.

El documento DE 41 20 069 (NISSAN) describe un sistema de mando para vehículo automóvil que comprende un dispositivo de almacenamiento de datos para determinar la edad del conductor, un grupo de sensores variados para detectar las operaciones efectuadas por el conductor y un sistema de mando que estima una característica del conductor a partir de informaciones proporcionadas por los sensores y que modifica la característica de respuesta de uno o varios sistemas de giro, de frenado y de aceleración del vehículo para hacerlos más fáciles de controlar para los conductores mayores o no experimentados. Más en particular, está previsto aplicar un avance de fase en función de la edad del conductor.

Sin embargo, la solicitante se ha dado cuenta de que un perfeccionamiento prudente de los mecanismos de dirección permitiría además aumentar la seguridad y mejorar el comportamiento en carretera del vehículo. Hasta ahora, la mejora del comportamiento en carretera del vehículo se obtenía por una aumento de la rigidez del chasis, una mejora de los neumáticos o incluso una mejor regulación de las suspensiones.

Ahora bien, el tiempo de retraso entre la acción del conductor sobre el volante y la puesta en viraje del vehículo es variable entre un vehículo y otro. En algunos casos de conducción, el tiempo de demora puede ser perjudicial, incluso peligroso. Durante una maniobra de elusión a velocidad media, un conductor con un entrenamiento medio dará un volantazo brutal de gran amplitud. La amplitud dada por el conductor aumenta si el conductor siente que el vehículo no gira inmediatamente. En ese momento, el vehículo comienza a girar y puede apartarse significativamente de la trayectoria deseada por el conductor que reacciona en contra girando para volver a colocar el vehículo en línea. El giro en sentido contrario del conductor puede ser incluso excesivo. El desfase puede ser peligroso en ese momento, haciendo el vehículo inestable por un fenómeno de antinomia entre los volantazos y la respuesta del vehículo.

La invención pretende mejorar las características dinámicas del vehículo por un mecanismo de dirección perfeccionado.

El procedimiento de ayuda en el giro de las ruedas directrices de un vehículo según un aspecto de la invención, comprende la aplicación de un avance de fase entre un volante de dirección y un elemento de cremallera a fin de disminuir el tiempo de respuesta del vehículo a una acción del conductor del vehículo sobre dicho volante de dirección. En efecto, hasta ahora, el tiempo de respuesta de un vehículo a una acción sobre el volante venía impuesto por las cinemáticas elásticas de los trenes y la deriva de los neumáticos. El tiempo de respuesta resultaba de un compromiso entre el sostenimiento de rumbo, la dinámica angular y la vivacidad del vehículo en régimen transitorio. Así, el tiempo de respuesta puede estar caracterizado por el retraso entre un volantazo dado por el conductor y la puesta en viraje del vehículo, en otros términos, la velocidad de lazo.

La invención permite reducir el tiempo de respuesta a fin de permitir unas maniobras de elusión más elevadas susceptibles de aumentar la seguridad.

En un modo de realización de la invención, se miden o estiman la velocidad de rotación y la aceleración angular del volante de dirección y se emite una consigna de giro de las ruedas directrices en función de dichas velocidad de rotación y aceleración angular. La consigna puede ser elaborada por una unidad de control que recibe como entrada dichas velocidad de rotación y aceleración angular.

En un modo de realización de la invención, la velocidad de rotación y la aceleración angular del volante de dirección pueden ser comparadas con unos umbrales predeterminados, aplicándose un avance de fase en caso de sobrepasar estos umbrales. Se puede calcular la consigna de giro a partir de la velocidad de rotación del volante de dirección, de la aceleración angular del volante de dirección, y de un avance temporal. El avance temporal puede estar comprendido entre 10 y 100 milisegundos, preferiblemente entre 40 y 70 milisegundos, por ejemplo en las proximidades de 60 milisegundos.

En otro modo de realización de la invención, se puede calcular el avance de fase a partir del ángulo de giro de las ruedas directrices y de un avance temporal. Se puede calcular el avance temporal a partir del ángulo del volante de dirección. El avance de fase puede ser igual a la suma del producto del avance temporal por la velocidad de rotación y del semiproducto del cuadrado del avance temporal por la aceleración angular.

La relación entre el ángulo del piñón de cremallera y el ángulo del volante depende de la desmultiplicación que puede ser variable. La relación de desmultiplicación puede descomponerse en una ganancia estática que corresponde a la desmultiplicación en situación casi estática y una fase que corresponde a una cinemática elástica suplementaria sobre la columna de dirección. Al retraso debido a esta fase, se añade el tiempo de respuesta del chasis. El tiempo de respuesta del chasis viene impuesto por la mecánica de los trenes. Por el contrario, el tiempo de respuesta entre el volante y el piñón se modifica por aplicación de una fase negativa, de manera que el tiempo de respuesta global sea inferior al tiempo de respuesta debido a la mecánica de los trenes. Así se crea un avance de fase entre el volante y el piñón.

La invención propone igualmente un sistema de ayuda en el giro de las ruedas directrices del vehículo, que comprende un medio para aplicar un avance de fase entre un volante de dirección y un elemento de cremallera. Así se puede disminuir el tiempo de respuesta del vehículo a una acción del conductor del vehículo sobre el volante de dirección.

Ventajosamente, el sistema comprende un sensor de parámetros de rotación del volante de dirección. El sensor puede ser de fibra óptica o incluso magnético, por ejemplo, de efecto Hall.

Ventajosamente, el medio para aplicar un avance de fase comprende una unidad de control que recibe como entrada unos parámetros de rotación del volante de dirección, y provista de un medio de cálculo para calcular un avance de fase en función de parámetros de rotación del volante de dirección.

Ventajosamente, el sistema comprende una unidad de control apta para aplicar un avance de fase en función de parámetros de rotación del volante de dirección y un actuador apto para desplazar la cremallera de dirección, especialmente en respuesta a una orden procedente de la unidad de control.

En un modo de realización de la invención, el medio para aplicar un avance de fase comprende un medio para calcular un avance temporal en función de parámetros angulares del volante de dirección, y un medio para calcular una consigna de ángulo de giro en función de parámetros angulares de giro de las ruedas directrices y del avance temporal. El medio para calcular una consigna de ángulo de giro de las ruedas del vehículo puede comprender un derivador para calcular la velocidad angular de giro de las ruedas del vehículo y la aceleración angular de giro de las ruedas del vehículo a partir de la posición angular de giro de las ruedas del vehículo. El medio para calcular una consigna de ángulo de giro puede comprender un elemento de cálculo para calcular la consigna de ángulo de giro a partir de la posición angular de giro de las ruedas del vehículo, de la velocidad angular de giro de las ruedas del vehículo, de la aceleración angular de giro de las ruedas del vehículo y del avance temporal.

En un modo de realización de la invención, el medio para calcular un avance temporal en función de parámetros angulares del volante de dirección comprende un elemento de lógica difusa para elaborar un índice de confianza y una tabla para deducir del índice de confianza un avance temporal. Además el medio para calcular un avance temporal puede comprender un derivador para calcular la velocidad angular y la aceleración angular a partir de la posición angular del volante de dirección.

La invención propone igualmente un vehículo que comprende un chasis, al menos tres ruedas de las cuales una rueda es directora, y un sistema de ayuda en el giro de las ruedas directrices del vehículo provisto de un medio para aplicar un avance de fase entre un volante de dirección y un elemento de cremallera para disminuir el tiempo de respuesta del vehículo a una acción del conductor sobre el volante de dirección.

El vehículo puede comprender una dirección eléctrica o incluso una dirección asistida eléctrica o incluso una dirección asistida hidráulica.

Un ensayo ha demostrado que un vehículo equipado con la ayuda de giro de las ruedas directrices fue susceptible de superar un tramo sinuoso con una velocidad de 75 km/h en lugar de 72 km/h para el mismo vehículo desprovisto de la ayuda en el giro de las ruedas directrices. Este aumento en la velocidad de paso se traduce en unas situaciones de conducción normales en una seguridad aumentada que permite reducir el número de accidentes que implican a otro vehículo, un vehículo de dos ruedas o incluso un peatón.

La presente invención se comprenderá mejor con la lectura de la descripción detallada de un modo de realización tomado a título de ejemplo en modo alguno limitativo e ilustrado por los dibujos anexos en los cuales:

- la figura 1 es una vista esquemática desde arriba de un vehículo equipado con el sistema de ayuda en el giro según un aspecto de la invención;

- la figura 2 es un organigrama simplificado del funcionamiento dinámico del vehículo;

- la figura 3 es un esquema lógico del funcionamiento de una dirección de un vehículo;

- la figura 4 muestra un organigrama según otro modo de realización de la invención.

Como puede verse en la figura 1, el vehículo 1 comprende un chasis 2, dos ruedas delanteras directrices 3 y 4 y dos ruedas traseras, estando las ruedas delanteras unidas al chasis por un mecanismo de suspensión no representado. Cada rueda delantera 3, 4 está equipada con un sensor 5,6 de la posición angular de dicha rueda delantera 3, 4. El vehículo 1 se completa con un sistema de dirección 7 que comprende un volante 8 dispuesto en un habitáculo, no representado, del vehículo 1, un sensor 9 de la posición angular del volante 8, una unidad central 10 unida por un enlace de cable 11 al sensor 9 para recibir las informaciones relativas a la posición angular del volante 9, un actuador 12 unido por un enlace de cable 13 a la unidad central 10 para recibir unas órdenes de la unidad central 10 y una cremallera 14 que une el actuador 12 a las ruedas directrices 3 y 4. La unidad central 10 está igualmente unida a los sensores 5 y 6 para conocer el ángulo de giro \alpha(t) de las ruedas delanteras. El ángulo de giro \alpha(t) puede ser igual a la media de los ángulos \alpha_{5}(t) y \alpha_{6}(t) medidos por los sensores 5 y 6.

El sensor 9 es capaz de detectar unos parámetros de rotación del volante de dirección, por ejemplo, el ángulo \alpha. El sensor puede ser de tipo óptico o incluso magnético, por ejemplo de efecto Hall, cooperando con un codificador solidario angularmente con la columna de dirección mientras que el sensor es no giratorio.

La unidad central 10 puede realizarse en forma de un circuito dedicado, por ejemplo de tipo ASIC, o de un microcontrolador equipado con al menos una memoria y que permite, a partir de las informaciones recibidas procedentes del sensor 9, calcular la velocidad angular \dot{\alpha} y la aceleración angular \ddot{\alpha} del volante 8.

Como se ilustra en la figura 2, el cálculo de la velocidad angular \dot{\alpha} y de la aceleración angular \ddot{\alpha} del volante 8 se efectúa en la etapa 15. En la etapa 16, que se puede efectuar al mismo tiempo que la etapa 15, la unidad central extrae un umbral de velocidad de la memoria y la etapa 17 efectúa una comparación entre el umbral de velocidad y la velocidad angular \dot{\alpha} calculada en la etapa 15. Si la velocidad angular calculada \dot{\alpha} es inferior al umbral, entonces la unidad central vuelve a comenzar la etapa 15. Si la velocidad angular calculada \dot{\alpha} es superior al umbral, entonces se pasa a la etapa 19.

La etapa 18, que se puede efectuar simultáneamente a las etapas 16 y 17, consiste en que la unidad central tome un umbral de aceleración en la memoria. En la etapa 19, la unidad central efectúa una comparación entre la aceleración angular \ddot{\alpha} calculada en la etapa 15 y el umbral de aceleración extraído de la memoria en la etapa 18. Si la aceleración angular \ddot{\alpha} calculada es inferior al umbral, entonces la unidad central vuelve a comenzar la etapa 15. Por el contrario, si la aceleración angular \ddot{\alpha} calculada es superior al umbral, entonces la unidad central pasa a la etapa 20. Se comprenderá que se puede invertir el orden en el que se efectúan las etapas 17 y 19. En la etapa 20 la unidad central efectúa un cálculo del avance temporal t_{1} a aplicar por el actuador 12 teniendo en cuenta el sobrepase de los dos umbrales y el valor de la velocidad angular \dot{\alpha} y de la aceleración angular \ddot{\alpha}. La consigna \alpha_{C} de ángulo de giro de la rueda se puede expresar de la manera siguiente: \alpha_{C}(t) = \alpha(t) + t_{1} \dot{\alpha}(t) + t_{1}^{2} \ddot{\alpha}(t)/2. A continuación se envía la consigna \alpha_{C} a aplicar al actuador 12 por el enlace mediante cable 13. El avance de fase \varphi expresado en unidades de ángulo vale: \varphi = t_{1} \dot{\alpha}(t) + t_{1}^{2} \ddot{\alpha}(t)/2. El avance temporal expresado en unidades de tiempo es t_{1}.

A título de variante, se puede prever que la unidad central 10 esté provista de una cartografía que permita determinar un valor de avance de fase en función de la velocidad angular \dot{\alpha} y de la aceleración angular \ddot{\alpha}. La cartografía prevé entonces un avance de fase nulo en caso de una velocidad angular \dot{\alpha} o de un aceleración angular \ddot{\alpha} inferior a uno de dichos umbrales anteriormente citados.

En la figura 3 se ha ilustrado el funcionamiento de una dirección de un vehículo. Un conductor actúa sobre un volante 8 provisto de un sensor de parámetros de desplazamiento 9. El enlace entre el volante 8 y la cremallera 14 se caracteriza por una ganancia 21 y una fase 22 que se traduce en un retraso t_{1} en el caso de una dirección clásica. Las características del chasis 2 y de las ruedas 3 a 6 se traducen en un retraso t_{2} antes de que se modifique la velocidad de lazo del chasis 2. La unidad central 10 permite por tanto actuar sobre la fase 22 aplicando una fase negativa t_{1} que permite reducir el tiempo de respuesta de manera que el tiempo de respuesta global resulte inferior a t_{2}.

El avance t_{1} puede ser del orden de 60 milisegundos para un vehículo que presenta un retraso t_{2} del orden de 140 milisegundos. Más generalmente, el avance t_{1} puede estar comprendido entre 10 y 100 milisegundos, preferiblemente entre 40 y 70 milisegundos.

En el modo de realización ilustrado en la figura 4, la unidad central 10 comprende un módulo 23 de detección de situación, una tabla 24 y un módulo 25 de cálculo del ángulo de consigna \alpha_{C}(t). El módulo 23 de detección de situación comprende un filtro 26, un derivador 27, y un elemento de lógica difusa 28. El módulo 23 de detección de situación recibe como entrada el ángulo del volante \alpha_{V}(t) medido por el sensor 9. El filtro 26 efectúa un filtrado del ángulo del volante \alpha_{V}(t) y proporciona un ángulo filtrado de volante \alpha_{V}(t) al derivador 27, y al elemento de lógica difusa 28. El derivador 27 calcula la velocidad \dot{\alpha}_{V}(t) y la aceleración \ddot{\alpha}_{V}(t) angulares del volante. El elemento de lógica difusa 28 recibe el ángulo filtrado de volante \alpha_{V}(t), la velocidad \dot{\alpha}_{V}(t) y la aceleración \ddot{\alpha}_{V}(t) angulares del volante, y calcula un índice de confianza de situación h_{U} enviado como salida del módulo 23 de detección de situación hacia la tabla 24.

La tabla 24 relaciona el índice de confianza de situación h_{U} con un avance temporal t_{1} enviado como salida de dicha tabla 24 hacia el módulo 25 de cálculo del ángulo de consigna \alpha_{C}(t). El módulo 25 recibe como entrada el avance temporal t_{1} y el ángulo de giro \alpha(t) de las ruedas delanteras.

El módulo 25 de cálculo del ángulo de consigna \alpha_{C}(t) comprende un filtro 29, un derivador 30, y un elemento de cálculo 31. El filtro 29 efectúa un filtrado del ángulo de giro \alpha(t) y proporciona un ángulo filtrado de giro \alpha_{f}(t) al derivador 30 y al elemento de cálculo 31. El derivador 30 calcula la velocidad \dot{\alpha}(t) y la aceleración \ddot{\alpha}_{V}(t) angulares de giro. El elemento de cálculo 31 calcula el ángulo de consigna de giro \alpha_{C}(t) = \alpha(t) + t_{1} \dot{\alpha}(t) + t_{1}^{2} \ddot{\alpha}(t)/2.

El elemento de lógica difusa permite una adaptación a diferentes situaciones, especialmente aumentando el número de leyes difusas y/o de entradas de dicho elemento. El avance temporal es por tanto de valor adaptado a las circunstancias. Se puede prever tener en cuenta la velocidad del vehículo, y otras variables.

La invención permite por tanto mejorar el comportamiento de un vehículo al pasar por un tramo sinuoso. Se ha demostrado mediante ensayos una deriva del centro de gravedad del vehículo reducida en más del 30% y unos ángulos de las velocidades de rotación del volante reducidos del orden del 50%. Así, el vehículo equipado con la ayuda en el giro reacciona mejor con amplitudes reducidas de ángulos en el volante y se controla con mayor facilidad con ángulos de deriva inferiores.

La invención se aplica a los vehículos ligeros, a los pesos pesados comprendiendo en ellos los vehículos de ejes múltiples, a los vehículos de tres ruedas, a los vehículos de obras públicas o agrícolas o incluso a las máquinas sobre orugas.

Claims (9)

1. Procedimiento de ayuda en el giro de las ruedas directrices de un vehículo (3 y 4), en el cual se aplica un avance de fase (\varphi) entre un volante de dirección (8) y un elemento de cremallera (14) a fin de disminuir el tiempo de respuesta del vehículo a una acción del conductor del vehículo sobre dicho volante de dirección, siendo medidas o estimadas la velocidad de rotación (\dot{\alpha}) y la aceleración angular (\ddot{\alpha}) del volante de dirección y emitiéndose una consigna de giro de las ruedas directrices en función de dichas velocidad de rotación y aceleración angular.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el cual la velocidad de rotación (\dot{\alpha}) y la aceleración angular (\ddot{\alpha}) del volante de dirección se comparan con unos umbrales predeterminados, aplicándose un avance de fase en caso de sobrepasar dichos umbrales.

3. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual se calcula la consigna de giro a partir del ángulo de giro de las ruedas directrices y de un avance temporal.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el cual el avance temporal se calcula a partir ángulo del volante de dirección.

5. Sistema de ayuda en el giro de las ruedas directrices de un vehículo (1), que comprende un medio para aplicar un avance de fase entre un volante de dirección (8) y un elemento de cremallera (14), caracterizado porque dicho medio comprende un medio de medida o estimación de la velocidad de rotación (\dot{\alpha}) y de la aceleración angular (\ddot{\alpha}) del volante de dirección y un medio para emitir una consigna de giro de las ruedas directrices en función de dichas velocidad de rotación y aceleración angular.

6. Sistema según la reivindicación 5, caracterizado porque comprende un sensor (9) de parámetros de rotación del volante de dirección (8).

7. Sistema según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque el medio para aplicar un avance de fase comprende una unidad de control (10) que recibe como entrada unos parámetros de rotación del volante de dirección (8), y provisto de un medio de cálculo para calcular un avance de fase en función de parámetros de rotación del volante de dirección (8).

8. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque el medio para aplicar un avance de fase comprende un medio para calcular un avance temporal en función de parámetros angulares del volante de dirección, y un medio (25) para calcular una consigna de ángulo de giro en función de parámetros angulares de giro de las ruedas directrices y del avance temporal.

9. Sistema según la reivindicación 8, caracterizado porque el medio para calcular un avance temporal en función de parámetros angulares del volante de comprende un elemento de lógica difusa (28) para elaborar un índice de confianza y una tabla (24) para deducir del índice de confianza un avance temporal.