FR2936061A3 - Dispositif et procede de calcul de la vitesse longitudinale d'un vehicule. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif et un procédé de calcul de la vitesse longitudinale d'un véhicule. Le dispositif comprend : - un dispositif de conversion (10), convertissant l'angle de la pédale d'accélérateur ap en vitesse de consigne vf*, - un dispositif soustracteur (11), qui calcule l'écart de vitesse entre la vitesse de consigne vf* et la vitesse de consigne instantanée v*, - un dispositif multiplicateur non invariant (12) agissant sur cet écart de vitesse, - un dispositif de saturation (13), qui délivre une force F* à appliquer au véhicule, - un dispositif intégrateur (14) qui permet de calculer la vitesse de consigne v*=intégrale(F*)/m, m étant la masse du véhicule.

Description

1 DISPOSITIF ET PROCEDE DE CALCUL DE LA VITESSE LONGITUDINALE D'UN VEHICULE

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif et un 5 procédé de calcul de la vitesse longitudinale d'un véhicule. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'objet de l'invention est de convertir l'angle de pédale de l'accélérateur d'un véhicule en 10 une vitesse longitudinale pour, par exemple, piloter le groupe motopropulseur, ou bien simuler le comportement longitudinal de ce véhicule. Le problème technique à résoudre se résume à obtenir un comportement très proche de celui d'un véhicule réel, avec une puissance 15 de calcul très faible. Si l'on étudie les deux fonctionnalités indiquées ci-dessus : • piloter le groupe motopropulseur d'un véhicule : De manière classique actuellement la conversion angle 20 vers consigne longitudinale est effectuée, sur un véhicule, au moyen de tableaux appelés cartographies . Ces tableaux prennent en compte l'angle de la pédale d'accélérateur et le régime moteur, et génèrent une valeur de couple de consigne 25 réalisé par le groupe motopropulseur, ce qui conduit à une vitesse longitudinale. 2

• simuler le comportement longitudinal d'un véhicule : De manière classique actuellement, la simulation de la vitesse longitudinale d'un véhicule est réalisée par une simulation des différents organes et algorithmes qui se trouvent dans le véhicule : les tableaux cités précédemment sont utilisés, et le couple de consigne est fourni à un simulateur (modèle) du groupe motopropulseur. Le couple issu de la simulation du groupe motopropulseur est ensuite fourni à un modèle dynamique du véhicule, ce qui conduit à une vitesse longitudinale. L'objet de l'invention est de proposer une approche beaucoup plus simple que ces réalisations de l'art antérieur pour générer la vitesse longitudinale du véhicule en fonction de l'angle de la pédale d'accélérateur, et ce, avec une très faible complexité, en se plaçant dans un contexte différent, en estimant la réponse en vitesse du véhicule tout seul à partir d'une consigne donnée par le conducteur. Cette estimation peut être utilisée à des fins de simulation ou pour remplacer les cartographies du motopropulseur qui convertissent l'angle vers la consigne longitudinale. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de calcul de la vitesse longitudinale d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend : ù un dispositif de conversion convertissant l'angle de la pédale d'accélérateur ap en vitesse de consigne 3 vf*, dans lequel on utilise un gain statique ou une fonction non linéaire, ù un dispositif soustracteur, qui calcule l'écart de vitesse sv entre la vitesse de consigne vf* et la vitesse de consigne instantanée v*, ù un dispositif multiplicateur non invariant agissant sur cet écart de vitesse sv, dans lequel on réalise une multiplication par m/tau si Ev?0, ou une multiplication par une valeur GrandGain si Ev<O, avec tau constante de temps, ù un dispositif de saturation, qui délivre une force F* à appliquer au véhicule, ù un dispositif intégrateur qui permet de calculer la vitesse de consigne v*=intégrale(F*)/m, m étant la masse du véhicule. L'invention concerne également un procédé de calcul de la vitesse longitudinale d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : ù une étape d'initialisation de la vitesse de consigne instantanée du véhicule v*, ù une étape de conversion de l'angle de la pédale d'accélérateur ap en vitesse de consigne vf*, ù une étape de soustraction dans laquelle on calcule l'écart de vitesse entre la vitesse de consigne vf* et la vitesse de consigne instantanée v*, ù une étape de multiplication agissant sur cet écart de vitesse, dans laquelle on réalise une multiplication par m/tau si Ev?0, et une multiplication par une valeur GrandGain si Ev<0, 4 ù une étape de saturation, qui délivre une force F* à appliquer au véhicule, ù une étape d'intégration qui permet de calculer la vitesse de consigne v*=intégrale(F*)/m.

Dans des variantes de réalisation : ù On limite la valeur de la vitesse de consigne v* à une plage prédéfinie vMin<v*<vMax, afin de respecter les limitations physiques de la vitesse longitudinale. ù On prend en compte une information de type pédale de frein. Cette information, transformée en force de freinage, est additionnée à F* avant l'étape d'intégration, afin de simuler l'action du frein sur la vitesse longitudinale.

On prend en compte une information de type pédale d'embrayage. Dans le cas du mode embrayé, la vitesse longitudinale v* est calculée comme décrit précédemment. Dans le cas du mode débrayé, la vitesse de consigne vf* est fixée à zéro et la saturation négative de saturation(x) est fixée à une valeur représentative des forces de frottement en mode débrayé. ù On prend en compte une information du type pente des montées et descentes de la route. Cette information est transformée en force Fpente* additionnée à F* avant l'étape d'intégration, afin de simuler les actions des pentes sur la vitesse longitudinale v*. L'invention diffère des dispositifs de l'art antérieur par son caractère non linéaire bien représentatif du comportement de la dynamique du véhicule. Sa mise en oeuvre est plus simple que celles des dispositifs de l'art antérieur. L'invention traite en plus les cas de débrayage et de freinage. Dans un simulateur de véhicule, le dispositif de l'invention fournit la vitesse 5 longitudinale du véhicule de manière réaliste, sans autre information que celles fournies par la pédale de l'accélérateur, voire la pédale d'embrayage et/ou de frein. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre le dispositif de l'invention. La figure 2 illustre les différentes étapes du procédé de l'invention. La figure 3 illustre un exemple d'enregistrement montrant la réponse d'un véhicule à un appui de type échelon sur la pédale d'accélérateur. La figure 4 illustre l'enregistrement du contexte de roulage d'un véhicule, dans le cas d'un roulage simple en première.

La figure 5 illustre la comparaison vitesse réelle/vitesse simulée par le procédé de l'invention dans le même contexte que celui illustré sur la figure 4. La figure 6 illustre l'enregistrement du contexte de roulage d'un véhicule, dans le cas d'un cas de roulage saturé (100% pédale) en première. La figure 7 illustre la comparaison vitesse réelle/vitesse simulée par le procédé de l'invention dans le même contexte que celui illustré sur la figure 6. 6 La figure 8 illustre l'enregistrement du contexte de roulage d'un véhicule, dans le cas d'un roulage complexe avec saturations, changements de rapport, freinages et débrayages intempestifs.

La figure 9 illustre la comparaison vitesse réelle/vitesse simulée par le procédé de l'invention dans le même contexte que celui illustré sur la figure 8. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Pour synthétiser la vitesse longitudinale v* d'un véhicule, le dispositif de l'invention prend en compte : ù des informations caractéristiques du véhicule : masse, couple ou force minimum et maximum du groupe motopropulseur ; des informations liées à la dynamique longitudinale du véhicule : les constantes de temps de réponse en accélération et en décélération ; une information concernant l'angle de la pédale d'accélérateur. Comme illustré sur la figure 1, le dispositif de l'invention comprend : un dispositif de conversion 10, avec un gain statique ou une fonction non linéaire k, convertissant l'angle de la pédale d'accélérateur ap en vitesse de consigne vf*, un dispositif soustracteur 11, qui calcule l'écart de vitesse entre la vitesse de consigne vf* et la vitesse de consigne instantanée v* du véhicule, que 7 doit réaliser le groupe motopropulseur, soit un écart de vitesse : Ev=vf*-v*, un dispositif multiplicateur non invariant (sa caractéristique mathématique varie en fonction d'un paramètre au moins) 12 agissant sur cet écart de vitesse sv selon le signe de celui-ci : si Ev?0 multiplication par m/tau, m étant la masse du véhicule et tau étant une constante de temps, si Ev<0 multiplication par une valeur GrandGain, un dispositif de saturation 13, qui sature le résultat de la multiplication précédente à des valeurs réalistes vis-à-vis du groupe motopropulseur employé et du véhicule considéré. On obtient une grandeur de type force F*, force à appliquer au véhicule, un dispositif intégrateur 14, 15, qui permet de calculer la vitesse de consigne v* à partir de la force F* calculée ci-dessus : v*=intégrale (F*)/m. Le dispositif de l'invention prend en compte le couple maximum et donc la force maximale Fmax que peut fournir le groupe motopropulseur, et aussi le couple minimum et donc la force minimale Fmin imposée par les frottements. Une réalisation possible pour un nombre réel x est la suivante : saturation (x) =Finax si x>Fmax ; saturation(x)=Fmin si x<Fmin ; saturation(x)=x si Fmin<_x<_Finax. Des exemples de valeurs numériques réalistes pour une application automobile sont : - Fmax = 3333 N et Fmin = -333 N (pour un motopropulseur qui fournit un couple maximum de 100 8 Nm, avec un rapport de démultiplication entre motopropulseur et roue de 10, i.e. le couple à la roue vaut 10 fois le couple moteur, et un rayon de roue de 0.3m, et un couple de frottement, lorsque le moteur n'entraîne plus, de 10 Nm au niveau du moteur). û GrandGain = 10, cette valeur étant ensuite ajustée pour que la simulation corresponde au mieux à la réalité. û m = 1000 kg (réaliste pour un petit véhicule). Comme illustré sur la figure 2, le procédé de calcul de la vitesse longitudinale d'un véhicule selon l'invention comprend les étapes suivantes : û une étape 20 d'initialisation de la vitesse de consigne instantanée du véhicule v*, û une étape 21 de conversion de l'angle de la pédale d'accélération ap en vitesse de consigne vf*, û une étape 22 de soustraction des vitesses vf* et v*, telle que Ev=vf*-v*, û une étape 23 de test : Ev?0 ?, û une étape 24 de multiplication par m/tau si Ev?0, ou û une étape 25 de multiplication par GrandGain si Ev<0, û une étape 26 de saturation du résultat et d'obtention de la force à appliquer au véhicule F*, une étape 27 de calcul de la vitesse de consigne v* telle que v*=intégrale (F*)/m.

Le modèle de l'invention repose donc sur le principe suivant. Le comportement du véhicule est différent en accélération, lorsque le groupe motopropulseur fournit du couple, et en décélération, lorsque le groupe motopropulseur ne fournit plus de couple. La figure 3 illustre un exemple d'un enregistrement montrant la réponse du véhicule en vitesse à un appui de type échelon sur la pédale d'accélérateur (en première). Les comportements au posé de pied 30 et au levé de pied 31 sont très différents. Une observation évidente est qu'à un angle pédale donné correspond une vitesse véhicule donnée avec au moins une dynamique associée. 1. Modèle posé de pied Au posé de pied, on observe un comportement dominant de la vitesse du type premier ordre :

v* k ap (1+tau.$) ap est l'angle de la pédale d'accélérateur. v* est la consigne de vitesse véhicule que le groupe motopropulseur doit réaliser. s est l'opérateur de Laplace.

Les paramètres de réglage sont : k : gain statique définissant la vitesse finale ; tau : constante de temps fixant le temps de réponse à 95% (égal à 3*tau). Ces variables permettent un réglage séparé des caractéristiques statique (gain) et dynamique (temps de montée). Les valeurs de k et de tau peuvent être spécifiées pour chaque rapport en fonction d'un cahier des charges de comportement du véhicule en accélération.30 10 2. Modèle levé de pied Au levé de pied, la vitesse décroît linéairement, pour des vitesses véhicule inférieures à 70 km/h. En effet, en mode coupure d'injection et à basse vitesse (entre 0 et 70 km/h), le véhicule est principalement soumis à des forces de frottements constants (frottements secs des pneus sur la route), et au couple moteur résistif, également équivalent à une force de frottement constante en entrée du modèle de caisse : dv* -frott dt m m est la masse du véhicule. frott est le paramètre de réglage, qui est la valeur des frottements pied levé. La valeur de ces frottements est choisie de manière à vérifier un cahier des charges de comportement du véhicule en décélération. Dans le modèle complet, la vitesse décroît ainsi jusqu'à la vitesse de stabilisation au pied levé de chaque rapport, correspondant au régime moteur ralenti multiplié par le rapport de boîte et de pont, aux frottements secs près. 3. Modèle complet d'interprétation de la volonté conducteur L'agencement de ces deux modèles est à faire avec la contrainte de continuité de la vitesse du véhicule. Pour que le modèle soit physique, on le construit autour d'un modèle véhicule. Le modèle véhicule le plus simple qui prend en compte la masse m du véhicule est donné par le 30 principe fondamental de la dynamique F = m.a =m. s . v, où F 11 est la force appliquée au véhicule par l'intermédiaire des roues, a est l'accélération du véhicule, s est l'opérateur de la place et v la vitesse. Dans le modèle non linéaire complet, on retrouve le modèle du premier ordre du posé de pied tenant compte de la saturation du couple du moteur en passant par équivalence inférieure 12" (grâce à la saturation négative). La 10 commutation de modèle est gérée par le signe d'sv : vitesse véhicule consigne v*. De cette façon, aucun conflit entre les deux 15 modèles ne peut avoir lieu puisqu'on ne peut emprunter qu'une seule branche à la fois. D'autre part, l'intégrateur du modèle de caisse 15 assure bien les transitions sans discontinuité grâce à sa propriété de mémoire . 20 Le modèle ainsi obtenu, illustré sur la figure 1, est réalisé sous forme algorithmique de manière à pouvoir aussi être implanté en échantillonné dans un calculateur. Dans ce cas, on remplace le s (intégrateur en continu) par une méthode d'intégration 25 échantillonnée (exemples : méthodes du rectangle ou du trapèze). Il n'y a ainsi nulle part, dans cette réalisation, de filtre linéaire du premier ordre. En fait, le résultat de ce système est un système non 30 linéaire. la branche supérieure 12', et une du modèle du levé de pied par la branche de consigne finale vf*- vitesse réelle du qui est en théorie égale à la vitesse de instantanée du véhicule en sortie de modèle 12 En fonctionnement : - Quand le conducteur appuie sur la pédale d'accélérateur, vf* est supérieure à v*, qui représente la vitesse de véhicule réelle via le modèle caisse. cv=vf*ûv* étant donc positif, l'algorithme passe par la branche supérieure 12' du modèle. Le système linéaire équivalent est donc un système du premier ordre. - Quand le conducteur relâche la pédale, vf* devient inférieure à v*. étant négatif, l'algorithme passe alors par la branche inférieure 12" du modèle. La valeur GrandGain sert à saturer le système négativement lorsque la valeur absolue de svdépasse un certain seuil. Tant que le système est saturé à la valeur négative correspondant à la force de résistance à l'avancement, la vitesse décroît linéairement par intégration de cette constante négative. Puis lorsque le système repasse en linéaire, quand cv est très petit en valeur absolue, la vitesse converge vers sa valeur finale comme un système du premier ordre. Cinq paramètres de réglage sont ainsi présents dans le modèle complet : k : le gain statique définissant la vitesse finale ; tau : la constante de temps fixant le temps de réponse ; GrandGain : gain permettant d'intégrer la constante négative de saturation ; saturations réalistes minimum et maximum de la force appliquée au véhicule.

Ces paramètres ont des réglages différents associés à chaque rapport, qui sont injectés dans le 13 modèle en fonction du rapport en cours dans la boîte de vitesses mécanique ou robotisée. A titre d'exemple, des valeurs : m=1500 kilogrammes, tau=5 secondes, k=30 et GrandGain=3000 sont réalistes pour un véhicule automobile en première. Un enfoncement de 10% de la pédale d'accélérateur conduit à une variation de la vitesse longitudinale de 3 m/s, avec un temps de réponse à 95% de 15 secondes. De plus, pour gérer les modes freinage et débrayage, le modèle complet peut prévoir des solutions distinctes . Lors d'une intervention sur la pédale de frein, sur la pédale d'embrayage ou lors d'un passage au neutre, on peut basculer momentanément sur la vitesse véhicule réelle mesurée afin de ne pas fausser la consigne. Dans le cas de la simulation de la vitesse véhicule, dans le cas du mode débrayé on peut fixer la valeur de la vitesse de consigne v* à zéro, et la saturation négative à une valeur représentative des forces de frottements en mode débrayé. Un exemple de la valeur de saturation négative est -100N au niveau des roues. Dans le cas d'un freinage, par exemple pour un simulateur de vitesse longitudinale de véhicule, on peut utiliser une entrée de type angle de pédale de frein. Cette entrée est alors convertie en une grandeur de type force de freinage. Cette force de freinage est additionnée à la force F*, en amont du dispositif intégrateur 14. Dans cette variante, il n'y a plus de vitesse réelle à mesurer, et il n'y a donc plus de basculement momentané sur la vitesse réelle.

ù On peut compléter l'intégrale du bloc dénommé modèle caisse 15, qui réalise l'intégration (au sens mathématique du terme), de la manière suivante : l'intégrale n'est calculée que pour une valeur de v* inférieure à un seuil vMax, par exemple : vMax=20 m/s avec une boîte de vitesse en première. L'intérêt d'une telle modification est de prendre en compte la saturation qui limite le régime du moteur à une valeur supérieure et donc la vitesse longitudinale du véhicule. Si la vitesse v* est supérieure au seuil vMax, alors v* est limité à vMax et l'intégrale n'est plus calculée. Elle est à nouveau calculée si la vitesse v* repasse en dessous de vMax. Une saturation de type vMin (vitesse minimale) peut être ajoutée selon le même principe, par exemple vMin=2m/s toujours en première.

ù On peut utiliser un système qui comporte en entrée la valeur de la pente pour que le modèle marche aussi lors des descentes et des montées de la route. A partir de la valeur de la pente apente et de la masse du véhicule m, il suffit d'ajouter à la force F* la force Fpente* suivante .

mag Fpente* _ sin(a pente m = masse du véhicule (kg)

ag = accélération de la gravité (m/s2)

apente = angle entre la pente et l'horizontale30 15 Résultats de simulations du modèle Dans les figures suivantes, la sortie du modèle est comparée à des enregistrements véhicule, pour les mêmes appuis de pédale injectés en entrée de modèle, avec pour référence le contexte de roulage de l'enregistrement. a) Cas d'un roulage simple en première : La figure 4 illustre l'enregistrement du contexte de roulage du véhicule.

La figure 5 illustre la comparaison vitesse réelle/vitesse simulée par le procédé de l'invention dans ce même contexte, avec une vitesse enregistrée 35, une vitesse simulée 36, et une commutation vitesse réelle 37.

Les allures de la vitesse du véhicule enregistrée et simulée sont quasiment similaires, avec la prise en compte dans le modèle de l'intervention de la pédale de frein par le basculement sur la vitesse réelle, ce qui montre bien que la consigne émise par le modèle pour sa réalisation par l'organe moteur est très proche de la réalité, et donc du comportement désiré actuel des véhicules. b) Cas d'un roulage saturé (100 % pédale) en première : La figure 6 illustre l'enregistrement du contexte de roulage du véhicule. La figure 7 illustre la comparaison vitesse réelle/vitesse simulée par le procédé de l'invention dans ce même contexte, avec une vitesse enregistrée 40, une vitesse simulée 41 et une commutation vitesse réelle 42. 16 Là encore, la vitesse simulée reproduit bien le comportement saturé du moteur, grâce au bon paramétrage du modèle. c) Cas d'un roulage complexe, avec saturations, changements de rapport, freinages et débrayages intempestifs . La figure 8 illustre l'enregistrement du contexte de roulage du véhicule. La figure 9 illustre la comparaison vitesse réelle/vitesse simulée par le procédé de l'invention dans ce même contexte, avec une vitesse enregistrée 45, une vitesse simulée 46, et une commutation vitesse réelle 47. Malgré de nombreuses perturbations, le modèle suit toujours bien la vitesse réelle. Les résultats obtenus montrent que le modèle d'invention fonctionne correctement. En outre, ce modèle d'interprétation de la volonté conducteur pour la pédale d'accélérateur ainsi obtenu présente les qualités suivantes : ù Il est représentatif (essais faits sur le plat). ù Il est simple à implanter. ù Il comporte peu de paramètres de réglage, ce qui implique une forte réduction du nombre de points de fonctionnement (cartographie), avec un bon potentiel de réglage pour chaque rapport.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de conversion de l'angle de pédale de REVENDICATIONS1. Dispositif de conversion de l'angle de pédale de l'accélérateur d'un véhicule en vitesse 5 longitudinale de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comprend : un dispositif de conversion (10) convertissant l'angle de la pédale d'accélérateur ap en vitesse de consigne vf*, 10 un dispositif soustracteur (11), qui calcule l'écart de vitesse sv entre la vitesse de consigne vf* et la vitesse de consigne instantanée v*, un dispositif multiplicateur (12) non invariant agissant sur cet écart de vitesse sv, 15 un dispositif de saturation (13), qui délivre une force F* à appliquer au véhicule, un dispositif intégrateur (14, 15) qui permet de calculer la vitesse de consigne v*=intégrale(F*)/m, m étant la masse du véhicule. 20
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel dans le dispositif de conversion (10), on utilise un gain statique ou une fonction non linéaire. 25
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel dans le dispositif multiplicateur, on réalise une multiplication par m/tau si sv>-0, et une multiplication par une valeur GrandGain si sv<0, avec tau : constante de temps. 30 B 15915 DB 18 2936061
4. 4. Procédé de conversion de l'angle de pédale de l'accélérateur d'un véhicule en vitesse longitudinale de ce véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes une étape d'acquisition de l'angle de la pédale d'accélération, une étape (20) d'initialisation de la vitesse de consigne instantanée, une étape (21) de conversion de l'angle de la pédale d'accélérateur îp en vitesse de consigne vf*, une étape (22) de soustraction dans laquelle on calcule l'écart de vitesse entre la vitesse de consigne vf* et la vitesse de consigne instantanée v*, une étape (24, 25) de multiplication agissant sur cet écart de vitesse, une étape (26) de saturation, qui délivre une force F* à appliquer au véhicule, une étape (27) d'intégration qui permet de calculer la vitesse de consigne v*=intégrale(F*)/m, m étant la masse du véhicule une étape d'obtention de la vitesse longitudinale du véhicule.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel, dans l'étape de conversion, on utilise un gain statique ou une fonction non linéaire.
6. 6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel, dans l'étape de multiplication, on réalise une B 1'5915 DB 19 2936061 multiplication par m/tau si sv>_0, et une multiplication par GrandGain si sv<O, avec tau : constante de temps.
7. 7. Procédé selon la revendication 4, dans 5 lequel on limite la valeur de sortie v* à une plage prédéfinie vMin<v*<vMax, afin de respecter les limitations physiques de la vitesse longitudinale.
8. 8. Procédé selon la revendication 4, dans 10 lequel on prend en compte une information de type pédale de frein, cette information, transformée en force de freinage, étant additionnée à F* avant l'étape d'intégration, afin de simuler l'action du frein sur la vitesse longitudinale. 15
9. 9. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on prend en compte une information de type pédale d'embrayage, telle que dans le cas du mode débrayé, la vitesse de consigne vf* est fixée à zéro et 20 la saturation négative est fixée à une valeur représentative des forces de frottement en mode débrayé.
10. 10. Procédé selon la revendication 4, dans 25 lequel on prend en compte une information du type pente des montées et descentes de la route, cette information étant transformée en force Fpente* additionnée à F. avant l'étape d'intégration, afin de simuler les actions des pentes sur la vitesse longitudinale v*. 30