FR2916409A1 - Procede d'estimation d'un parametre de roulage d'un vehicule automobile au moyen d'un filtre de kalman - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé d'estimation d'un paramètre de roulage d'un véhicule automobile, ledit paramètre étant fonction des déplacements angulaires de l'organe tournant d'au moins une butée de suspension dudit véhicule par rapport à son châssis, ledit procédé prévoyant de déterminer les déplacements angulaires dudit organe tournant lors du roulage et d'utiliser un filtre de Kalman pour estimer le paramètre au moyen d'un modèle d'observation construit sur la fonction entre le paramètre et les déplacements angulaires, ledit filtre de Kalman intégrant également un modèle dynamique d'évaluation du paramètre.

Description

L'invention concerne un procédé d'estimation d'un paramètre de roulage

d'un véhicule automobile, ledit paramètre étant fonction des déplacements angulaires de l'organe tournant d'au moins une butée de suspension dudit véhicule par rapport à son châssis. L'invention concerne également un montage comprenant une butée de suspension pour la mise en oeuvre d'un tel procédé.

Dans des exemples d'application, le paramètre est choisi parmi le débattement vertical de la suspension montée sur la butée et la masse du véhicule. En effet, dans les montages connus, le ressort de suspension est en contact avec l'organe tournant de la butée, de sorte que les efforts verticaux appliqués sur la roue induisent des déplacements angulaires dudit organe tournant par rapport au châssis. Ainsi, les déplacements angulaires dudit organe tournant sont fonction du débattement vertical de la suspension, ainsi que de la masse du véhicule qui est liée audit débattement.

Le paramètre estimé selon l'invention peut en particulier être exploité par les systèmes d'assistance électronique qui sont utilisés pour le contrôle dynamique de la trajectoire du véhicule, en particulier pour l'ESP (pour Electonic Stability Program en anglais). En effet, le contrôle de la trajectoire nécessite une estimation de la masse du véhicule, et ce d'autant plus que la plage de masse balayée par les différents cas de charge est large.

En particulier, les véhicules utilitaires peuvent couramment présenter une masse variant de 1,5 t à près de 4 t. De telles variations influencent directement le comportement véhicule : un véhicule sous vireur peut se révéler sur vireur, un véhicule stable en pleine charge au freinage peut se révéler incontrôlable à vide.

Par ailleurs, de nombreuses fonctions associées au contrôle de la trajectoire peuvent bénéficier d'une estimation de la masse du véhicule : meilleure estimation de la vitesse de référence, anti-patinage, surveillance accrue de capteurs tels que les capteurs d'accélération longitudinale...

En outre, d'autres applications peuvent aussi être optimisées par la connaissance de la masse du véhicule : optimisation des lois de passage de vitesses pour les véhicules à boite de vitesses automatique ou robotisée, gestion fine de l'effort de maintien du véhicule sur pente. Enfin, la mesure de la masse permet une surveillance des cas de surcharge, ainsi que la vérification que le pneumatique travaille dans une zone de fonctionnement autorisée. Cela peut se traduire par une information du conducteur des risques encourus.

Dans les solutions connues visant à connaître la masse du véhicule, deux approches existent : une mesure directe nécessitant un capteur, ou une estimation de la masse grâce à l'exploitation de modèles du comportement dynamique du véhicule.

Dans le cas de l'utilisation d'un capteur dédié, il se pose le problème de l'implantation physique de ce capteur ainsi que du coût associé.

Dans le cas de l'utilisation d'un estimateur, on cherche à réaliser une fusion d'informations déjà disponibles pour d'autres applications et à en déduire la masse. Les différents estimateurs connus sont établis sur la base des équations régissant la dynamique du véhicule. Ils consistent principalement en la réalisation d'un bilan des efforts auxquels est soumis le véhicule, la mesure de l'accélération permettant de déduire la masse.

Les limites de ces estimateurs résident dans l'absence d'exploitation de grandeurs physiques directement liées à la masse, ce qui pose un problème relativement à la convergence des estimations sur une population complète de véhicules. En particulier, l'accélération du véhicule est déduite des différentes vitesses de roue et les efforts sont déterminés par paramétrage et/ou mesures indirectes. Par ailleurs, d'une manière générale, les estimateurs seront d'autant plus précis qu'ils disposent d'informations riches et précises, donc exigent de nombreux capteurs.

L'invention vise à résoudre les problèmes de l'art antérieur en proposant un procédé d'estimation d'un paramètre de roulage tel que la masse du véhicule, dans lequel les déplacements angulaires de la butée de suspension sont déterminés pour être fusionnés, par l'intermédiaire d'un filtre de Kalman, avec une évaluation dudit paramètre qui est issue d'un modèle dynamique.

A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose un procédé d'estimation d'un paramètre de roulage d'un véhicule automobile, ledit paramètre étant fonction des déplacements angulaires de l'organe tournant d'au moins une butée de suspension dudit véhicule par rapport à son châssis, ledit procédé prévoyant de déterminer les déplacements angulaires dudit organe tournant lors du roulage et d'utiliser un filtre de Kalman pour estimer le paramètre au moyen d'un modèle d'observation construit sur la fonction entre le paramètre et les déplacements angulaires, ledit filtre de Kalman intégrant également un modèle dynamique d'évaluation du paramètre.

Selon un deuxième aspect, l'invention propose un montage comprenant une butée de suspension intégrée dans une jambe de force par l'intermédiaire de laquelle une roue d'un véhicule automobile est montée sur le châssis dudit véhicule, ladite butée comprenant un organe tournant et un dispositif de détermination des déplacements angulaires de l'organe tournant par rapport au châssis, ledit montage comprenant en outre un filtre de Kalman pour estimer un paramètre de roulage du véhicule par mise en oeuvre d'un tel procédé.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence à la figure jointe représentant un mode de réalisation de la structure du filtre de Kalman utilisé dans le procédé d'estimation suivant l'invention.

Les roues d'un véhicule automobile sont classiquement montées sur le châssis dudit véhicule par l'intermédiaire d'une jambe de force qui permet la suspension de la caisse relativement au sol. A cet effet, la jambe de force comprend classiquement un amortisseur, un ressort de suspension ainsi qu'une butée de suspension sur laquelle le ressort vient en appui.

La butée de suspension comprend un organe supérieur fixe et un organe inférieur tournant sur lequel le ressort est en appui de sorte à provoquer la rotation dudit organe tournant. En effet, lorsque le ressort est sollicité en compression et en détente, l'enroulement des spires de ce dernier sur elles-mêmes est modifié, ce qui entraîne la rotation de l'organe tournant.

L'invention concerne un procédé d'estimation d'un paramètre de roulage d'un véhicule automobile, ledit paramètre étant fonction des déplacements angulaires de l'organe tournant d'au moins une butée de suspension dudit véhicule par rapport à son châssis. En particulier, le procédé peut exploiter les déplacements angulaires d'un seul organe tournant. En variante, le procédé prévoit de fusionner les déplacements angulaires des organes tournants de chacune des butées d'un essieu, ou de chacune des butées du véhicule automobile.

Les déplacements angulaires de l'organe tournant sont induits par les efforts verticaux appliqués sur la roue et, dans le cas d'une roue directrice, par le braquage de la roue. Ainsi, le paramètre à estimer peut être choisi parmi ceux qui sont liés aux efforts verticaux appliqués sur la roue, notamment parmi le débattement vertical de la suspension montée sur la butée et la masse du véhicule.

Le procédé prévoit de déterminer les déplacements angulaires de l'organe tournant lors du roulage. Pour ce faire, on peut utiliser un dispositif de détermination comprenant un codeur générateur d'impulsions qui est solidaire en rotation de l'organe tournant et un capteur fixe par rapport au codeur. Le capteur est apte à détecter les impulsions de sorte à générer un signal analogique en fonction du temps qui est représentatif de la position angulaire de l'organe tournant par rapport à l'organe fixe. Selon une réalisation, le capteur est solidaire du châssis du véhicule, mais on pourrait également prévoir de rendre solidaire ledit capteur d'un composant de la jambe de force, notamment de l'organe fixe de la butée de suspension.

Dans un exemple particulier, le codeur est formé d'un anneau magnétique multipolaire en matériau synthétique chargé de particules magnétiques, notamment en ferrite, une pluralité de paires de pôles Nord et Sud étant réalisée sur ledit anneau. Toutefois, compte tenu de la faible amplitude de la rotation, on pourrait envisager un codeur comprenant seulement une portion annulaire multipolaire.

Le capteur associé peut comprendre au moins deux éléments sensibles qui sont par exemple choisis dans le groupe comprenant les sondes à effet Hall, les magnétorésistances, les magnétorésistances géantes ou les sondes de type TMR (pour Tunnel MagnetoResistance). En effet, de façon connue, ces sondes permettent de fournir un signal analogique en fonction de la rotation du codeur en face desquelles elles sont disposées à distance d'entrefer.

En variante, il est également possible d'utiliser une autre technologie pour délivrer le signal, par exemple une technologie optique en utilisant un codeur présentant des motifs optiques et un détecteur optique placé en regard dudit codeur.

Le capteur comprend en outre des moyens pour, en fonction du signal détecté, déterminer en continu les déplacements angulaires de l'organe tournant. Selon une réalisation, ces moyens déterminent la position angulaire relative de l'organe tournant, c'est-à-dire la position à partir d'une référence arbitraire. En variante, la position angulaire absolue, c'est-à-dire la position par rapport à une référence connue, peut être déterminée par les moyens.

En outre, le capteur mesurant indifféremment les déplacements angulaires de l'organe tournant qui sont induits par les efforts verticaux et par le braquage de la roue, il est possible de prévoir des moyens permettant la décorrélation entre ces deux causes. En particulier, la mesure de l'angle du volant, qui est disponible dans les systèmes de sécurité active ou de confort tels que l'ESP ou la DAE (pour direction assistée électriquement), peut être utilisée pour en déduire l'angle de braquage correspondant. Ainsi, il est possible de décorréler les composantes des déplacements angulaires qui sont dus respectivement aux efforts verticaux et à l'angle de braquage.

En effet, en première approximation, on peut considérer une loi linéaire entre l'angle du volant et l'angle de braquage, qui est le simple reflet de la démultiplication cinématique entre ces deux angles. Ainsi, le procédé d'estimation peut utiliser uniquement les déplacements angulaires qui sont induits par les efforts verticaux.

Toutefois, la seule mesure des déplacements angulaires de l'organe tournant n'est pas suffisante pour estimer de façon précise et rapide le débattement vertical de la suspension ou la masse du véhicule. En effet, la relation entre ces paramètres et les déplacements angulaires est de nature hystérétique. En particulier, plusieurs valeurs de débattement peuvent induire un même déplacement angulaire.

Le procédé selon l'invention prévoit d'utiliser un modèle d'observation qui est construit sur la fonction entre le paramètre à estimer et les déplacements angulaires. Le modèle d'observation peut également être construit sur la fonction entre l'angle de braquage de la roue et les déplacements angulaires de l'organe tournant de la butée sur laquelle ladite roue est montée.

De façon avantageuse, le modèle d'observation utilise une fonction linéaire entre le paramètre et les déplacements angulaires. En particulier, le modèle d'observation peut correspondre à la modélisation linéaire de la relation entre le paramètre et les déplacements angulaires, de sorte notamment à combler la nature hystérétique de ladite relation.

Cette modélisation est rendue possible par le fait que le modèle d'observation est complété par un modèle dynamique d'évaluation du paramètre, l'estimation du paramètre étant obtenue par fusion des informations dans un filtre de Kalman. En particulier, le filtre de Kalman est un filtre dit récursif qui permet d'extrapoler une valeur à un instant t à partir de la valeur à l'instant t-1, de la connaissance des lois d'évolutions et de la connaissance des erreurs associées à ces lois d'évolutions.

Le filtre de Kalman peut être codé en temps réel et être implanté dans un calculateur embarqué, en particulier en ce qu'il peut utiliser un modèle dynamique simple. Le filtre de Kalman permet de pondérer la confiance conférée à l'estimation basée sur la rotation de l'organe tournant, ainsi que celle conférée à l'évaluation issue du modèle dynamique. Les points forts de ces deux modèles peuvent donc être exploités en évitant de subir leurs limites respectives.

Le modèle dynamique met en évidence le comportement temporel de la jambe de force et il est construit sur une évaluation du paramètre à partir d'évolutions de grandeurs physiques dont le lien avec ledit paramètre est différent de la fonction prise en compte dans le modèle d'observation. Le modèle peut être au choix longitudinal (simulation de tangage) ou latéral (simulation du roulis), voire complet, suivant la nature des informations disponibles et les besoins en temps de réponse de l'application.

En particulier, le modèle dynamique peut évaluer en temps réel le paramètre en fonction d'au moins une donnée d'accélération du véhicule, et notamment de 25 l'accélération longitudinale, ainsi qu'en fonction de l'angle du volant.

Dans des exemples de réalisation, le modèle dynamique est basé sur un modèle ressort amortisseur ou sur un modèle de suspension de véhicule

30 La masse du véhicule peut être extrapolée du débattement à l'aide des équations de la dynamique. La mise en place d'un apprentissage long terme de la masse, typiquement un filtre du premier ordre avec une constante de temps importante, assure la convergence de l'information masse à sa valeur réelle. Il est à noter que ce procédé permet non seulement une estimation de la masse mais plus précisément d'un couple masse-hauteur du centre de gravité, donnée pertinente pour de nombreuses applications du contrôle de trajectoire.

En outre, le nombre de butées instrumentées avec un capteur ù une, deux voire quatre butées ù permet une convergence plus ou moins rapide de l'information masse, ainsi qu'une information plus enrichie. Par exemple, il est possible de déterminer une répartition de la charge, permettant de constater un déséquilibre dangereux à la stabilité véhicule, ou une surcharge sur un essieu voire une roue, entrainant un risque de rupture d'un élément mécanique ou du pneumatique.

Par ailleurs, comme le modèle d'observation, le modèle dynamique peut utiliser la mesure de la position angulaire absolue de l'organe tournant. Cette connaissance de la position angulaire absolue peut permettre une convergence plus rapide de l'estimation, ainsi qu'une surveillance de l'état de l'ensemble jambe de force ù pneu, notamment relativement à un affaissement de la suspension ou à une crevaison.

En relation avec la figure, on décrit ci-dessous un mode de réalisation d'un filtre de Kalman pour l'estimation du débattement de la suspension, dont l'expression mathématique est la suivante : J X = f (X , U, t) + b,,, (a) Y = g(X, U, t) + b, (b) Avec bn, : bruit de modèle ; b, : bruit de mesure ; U : regroupe les variables d'entrée du système (grandeurs de commande) ; X : regroupe les variables dynamiques ainsi que les paramètres à estimer ; Y : regroupe les différentes mesures relatives à l'état.

En particulier, le bruit du modèle peut correspondre à une mauvaise estimation de la décélération du véhicule, et le bruit de mesure peut correspondre aux erreurs liées à la mesure des déplacements angulaires de l'organe tournant ainsi qu'aux limites physiques (la roue subit un débattement trop faible pour entrainer un déplacement angulaire). Une représentation matricielle du modèle dynamique (Md) est la suivante : X=AX+BU Dans le cas d'un modèle de type ressort amortisseur, l'expression mathématique du modèle dynamique est : ~z~ù ù K 0- ~z~+ M x Hg 0 acclongi C ( L x C)angle _volant Z étant le débattement de la suspension, K la raideur équivalente du modèle, C la viscosité équivalente du modèle, Hg la hauteur de centre de gravité, L l'empattement, acclongi l'accélération longitudinale du véhicule obtenue à partir des mesures de vitesses de roue, angle_volant l'angle de rotation du volant. Dans le cas d'un modèle ressort amortisseur, il faut définir la raideur K et l'amortissement C équivalents de l'ensemble jambe de force-pneu, notamment par étalonnage ou par la théorie. Une représentation matricielle du modèle d'observation (Mo) est la suivante : Y=CX+DU Soit une expression mathématique pour la modélisation linéaire : acclongi rotation _butée = [G, 0] [z]+ [0 G2 ] (d) angle _ volant Avec Gl, coefficient de linéarité entre la rotation de la butée et le débattement de suspension, et G2, le coefficient de linéarité entre l'angle du volant et l'angle de braquage de la roue. (c)30 Dans le mode de réalisation décrit, les matrices utilisées dans le filtre de Kalman son les suivantes : MxHg o X = [Z] (LxC) - D=[0 G2]

acclongi U= angle __volant_ Les modèles définis ci-dessus sont particulièrement simples et comportent de nombreuses hypothèses simplificatrices, ce que l'utilisation du filtre de Kalman permet. Ensuite, les trois matrices P, Q et R suivantes sont utilisées.

10 Q est la matrice représentant le bruit du modèle dynamique. Cette matrice prend en compte les limites physiques du modèle dynamique, elle permet aussi de préciser quel poids on donne à ce modèle dans l'estimation réalisée.

R est la matrice représentant le bruit du modèle d'observation. Elle prend en 15 compte les limites physiques du modèle d'observation. Les essais réalisés sur banc et sur véhicule permettant de construire cette matrice. En outre, la matrice R peut servir de matrice de réglage pour définir le poids conféré à la modélisation et à l'observation.

20 P est une matrice dite de covariance découlant directement des matrices Q, R, A et C. Elle est calculée de manière classique dans un filtre de Kalman, le calcul étant détaillé plus bas.

Le filtre de Kalman est un process récursif, fondé sur la prédiction et 25 l'observation de l'état pour estimer une variable. Nous détaillons ci-dessous l'exécution de ce filtre selon la figure jointe. A= B= _K 0] c =[G, o] l5 A un instant, nous disposons d'un vecteur X, par exemple constitué d'un enfoncement et d'un angle volant, ou d'une masse et d'un enfoncement : X = [z; alpha] ou X = [z; M] On calcule : Xp qui est l'évolution de l'état à l'aide du modèle dynamique : X=AX+BU ; l'observation de l'état : Yp =CX+DU ; la covariance de l'état : Pp=A Pc AT+QAt ; la covariance de l'erreur prédite : S=C Pp CT +R.

On en déduit le gain de Kalman : K=Pp CT S-l. D'où le nouvel état du système, qui sera utilisé comme condition initiale au pas de temps suivant : Xc= Xp + K(Y-Yp) At ; et la nouvelle covariance de l'état : Pc = (Id-KC) Pp. Le même type de filtre de Kalman peut être développé pour l'estimation de la masse du véhicule, les vecteurs X et U ainsi que les matrices A, B, C et D étant légèrement différents, mais construits sur les mêmes principes.

20 Les matrices Q et R permettent le paramétrage du filtre en définissant le poids de chaque modèle et les limites de chacun des modèles utilisés. On peut imaginer que, dans le cas de la masse qui est une donnée moins dynamique que le débattement, nous donnions plus de poids au modèle dynamique.15

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'estimation d'un paramètre de roulage d'un véhicule automobile, ledit paramètre étant fonction des déplacements angulaires de l'organe tournant d'au moins une butée de suspension dudit véhicule par rapport à son châssis, ledit procédé prévoyant de déterminer les déplacements angulaires dudit organe tournant lors du roulage et d'utiliser un filtre de Kalman pour estimer le paramètre au moyen d'un modèle d'observation construit sur la fonction entre le paramètre et les déplacements angulaires, ledit filtre de Kalman intégrant également un modèle dynamique d'évaluation du paramètre.

2. Procédé d'estimation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle d'observation est également construit sur la fonction entre l'angle de braquage d'une roue et les déplacements angulaires de l'organe tournant de la butée sur laquelle ladite roue est montée.

3. Procédé d'estimation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le modèle d'observation utilise une fonction linéaire entre le paramètre et les déplacements angulaires.

4. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le paramètre est choisi parmi le débattement vertical de la suspension montée sur la butée et la masse du véhicule. 25

5. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le modèle dynamique évalue le paramètre en fonction d'au moins une donnée d'accélération du véhicule, notamment de l'accélération longitudinale. 30

6. Procédé d'estimation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le modèle dynamique est basé sur un modèle ressort amortisseur ou sur un modèle de suspension '/4 de véhicule.20

7. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la position angulaire absolue de l'organe tournant est mesurée pour être utilisée dans le modèle d'observation et/ou dans le modèle dynamique.

8. Montage comprenant une butée de suspension intégrée dans une jambe de force par l'intermédiaire de laquelle une roue d'un véhicule automobile est montée sur le châssis dudit véhicule, ladite butée comprenant un organe tournant et un dispositif de détermination des déplacements angulaires de l'organe tournant par rapport au châssis, ledit montage comprenant en outre un filtre de Kalman pour estimer un paramètre de roulage du véhicule par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.