FR3098189A1 - Procede d’asservissement d’une caracteristique de fonctionnement d’un vehicule, telle que la garde au sol - Google Patents

Procede d’asservissement d’une caracteristique de fonctionnement d’un vehicule, telle que la garde au sol Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un procédé d’asservissement d’une caractéristique de fonctionnement (par exemple une garde au sol ou une accélération) d’un véhicule (100) reposant sur une surface de contact (200) au moyen d’au moins un atterrisseur (150) comportant des moyens d’actionnement (160) adaptés à faire varier un comportement de l’atterrisseur lorsque celui-ci est en contact avec la surface de contact, le procédé réalisant l’asservissement de la caractéristique de fonctionnement du véhicule à une consigne donnée en générant une commande à destination des moyens d’actionnement en fonction d’un écart (ε) entre la caractéristique de fonctionnement et la consigne. Selon l’invention l’asservissement comporte l’utilisation d’une estimation (Pest) d’une charge (P) vue par l’atterrisseur pour générer une modification de la commande de façon à minimiser une variation de l’écart engendrée par une variation de la charge.

Description

PROCEDE D’ASSERVISSEMENT D’UNE CARACTERISTIQUE DE FONCTIONNEMENT D’UN VEHICULE, TELLE QUE LA GARDE AU SOL
ARRIERE PLAN DE L’INVENTION
L’invention concerne notamment des véhicules à lévitation adaptés à se déplacer sans glissement ou roulement sur une surface de contact, tels que des véhicules à coussin d’air ou à lévitation magnétique. Ce genre de véhicule lévite pour des vitesses importantes (typiquement au dessus de 100 km/h) mais dispose en général d’un train d’atterrissage déployable grâce auquel il repose au sol pour des vitesses plus faibles. Dans la phase de lévitation, la garde au sol est entièrement gérée en agissant sur les moyens de lévitation. Mais pendant la phase d’appui au sol, la garde au sol diminue progressivement suite à l’enfoncement des amortisseurs du train d’atterrissage et des pneumatiques de ses roues si elles en sont équipées, au fur et à mesure du relâchement de l’action des moyens de lévitation. La garde au sol dépend alors de la proportion du poids du véhicule qui n’est plus compensée par les moyens de lévitation, mais également de conditions externes, telles que la température ambiante, l’état d’usure des pièces frottantes dans l’amortisseur, le conditionnement de celui-ci…
Pour certains véhicules, notamment du type « hyperloop » comportant un train de voitures se déplaçant dans un tunnel sous vide partiel, il importe que cette garde au sol soit maintenue précisément à une hauteur déterminée, afin notamment de minimiser la trainée induite et de garantir la stabilité du véhicule, et, pour des véhicules se déplaçant sur un rail avec des jeux réduits, d’éviter tout contact entre le véhicule et le rail.
A cet effet, il est connu d’équiper le train d’atterrissage de moyens d’actionnement adaptés à faire varier un comportement de celui-ci, par exemple sa longueur à vide, et asservir ces moyens d’actionnement pour maintenir constante la garde au sol du véhicule en appui au sol via le train d’atterrissage. Par exemple, le document FR2912725 préconise la commande en boucle fermée du vérin-amortisseur d’un atterrisseur d’hélicoptère pour asservir la garde au sol à une consigne de garde au sol donnée. Cependant, un tel asservissement, s’il convient pour des aéronefs immobilisés au sol, ne permet pas de garantir le maintien d’une garde au sol précise alors que le véhicule se déplace à des vitesses appréciables, notamment lors de phases de freinage ou d’accélération, compte tenu de la lenteur relative de la réponse des moyens d’actionnement.
OBJET DE L’INVENTION
L’invention vise à proposer un procédé d’asservissement d’une caractéristique de fonctionnement (garde au sol, accélération verticale …) d’un véhicule roulant sur une surface de contact au moyen d’un train d’atterrissage permettant une réponse rapide aux variations des conditions de fonctionnement affectant le véhicule.
En vue de la réalisation de ce but, on propose un procédé d’asservissement d’une caractéristique de fonctionnement (par exemple une garde au sol ou une accélération) d’un véhicule reposant sur une surface de contact au moyen d’au moins un atterrisseur équipé de moyens d’actionnement adaptés à faire varier un comportement de l’atterrisseur lorsque celui-ci est en contact avec la surface de contact, le procédé réalisant l’asservissement de la caractéristique de fonctionnement du véhicule à une consigne donnée en générant une commande à destination des moyens d’actionnement en fonction d’un écart entre une estimation de la caractéristique de fonctionnement et la consigne. Selon l’invention l’asservissement comporte l’utilisation d’une estimation d’une charge vue par l’atterrisseur pour générer une modification de la commande de façon à minimiser une variation de l’écart engendrée par une variation de la charge.
Ainsi, le procédé d’asservissement de l’invention fait appel à une estimation de la charge portée par l’atterrisseur pour détecter une variation de celle-ci et modifier la commande des moyens d’actionnement pour modifier le comportement de l’atterrisseur afin de minimiser un écart entre l’estimation de la caractéristique de fonctionnement et la consigne, de façon à diminuer l’impact d’une telle variation de charge sur la caractéristique de fonctionnement. En l’absence de modification de la commande selon l’invention, l’écart peut présenter transitoirement des valeurs importantes qui sont préjudiciables au bon fonctionnement du véhicule ou au confort des passagers. L’utilisation d’une estimation de charge, dont les variations signalent immédiatement une modification dans les conditions de fonctionnement de l’atterrisseur, permet d’adapter très rapidement la commande afin d’éviter des écarts importants entre la caractéristique de fonctionnement du véhicule et la consigne.
On notera que l’estimation peut être notamment issue d’une mesure réalisée par un capteur de charge.
Par exemple, si la charge vue par l’atterrisseur vient à augmenter brusquement du fait d’une moindre action des moyens de lévitation ou encore d’un freinage ou d’une accélération, la commande des moyens d’actionnement de l’atterrisseur sera très rapidement modifiée pour que les moyens d’actionnement modifient rapidement le comportement de l’atterrisseur afin de compenser une diminution transitoire prévisible de la garde au sol due à cette brusque augmentation de charge, avant même qu’un écart significatif ne soit constaté entre la garde au sol et la consigne de garde au sol, ce qui diminue le temps de retour de la garde au sol à la consigne de garde au sol. De la sorte, le véhicule ne subira aucune variation préjudiciable de garde au sol due à la lenteur relative des moyens d’actionnement.
Selon un premier mode particulier de mise en œuvre de l’invention, on modifie la commande en lui ajoutant une commande correctrice déterminée en fonction de l’estimation de la charge vue par l’atterrisseur.
De préférence alors, la commande correctrice est déterminée par un algorithme prédictif mettant en œuvre un modèle de comportement de l’atterrisseur et anticipant la réaction de celui-ci à une variation de la charge vue par l’atterrisseur.
Selon un deuxième mode particulier de mise en œuvre de l’invention, la commande est déterminée par un contrôleur ayant des caractéristiques dépendant de l’estimation de la charge vue par l’atterrisseur.
De préférence alors, le contrôleur est du type PID caractérisé par des gains qui sont déterminés en fonction de l’estimation de la charge vue par l’atterrisseur, par exemple au moyen d’une fonction paramétrique de l’estimation de la charge, ou d’une table de valeurs.
Selon un mode de mise en œuvre préféré, la caractéristique de fonctionnement asservie est une garde au sol du véhicule. De préférence alors, la commande est destinée à un moteur électrique de l’atterrisseur adapté à faire varier une caractéristique charge/enfoncement de l’atterrisseur.
L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit de modes particuliers de mise en œuvre du procédé de l’invention, en référence aux figures des dessins annexés parmi lesquelles :
La figure 1A est une vue schématique d’un véhicule prenant ici la forme d’un train de voitures à lévitation magnétique circulant dans un tunnel sous vide partiel à cheval sur un rail central et venant en appui sur une surface de contact au moyens d’atterrisseurs ;
La figure 1B est une vue de face du véhicule de la figure 1A ;
La figure 2 est une vue schématique de l’un des atterrisseurs équipant l’une des voitures du véhicule de la figure 1, illustrant les moyens d’actionnement adaptés à modifier la caractéristique charge/enfoncement de l’atterrisseur ;
La figure 3 est un schéma bloc d’un asservissement de la garde au sol du véhicule de la figure 1 selon un premier mode particulier de mise en œuvre du procédé de l’invention ;
La figure 4 est un schéma bloc d’un asservissement de la garde au sol du véhicule de la figure 1 selon un deuxième mode particulier de mise en œuvre du procédé de l’invention.
L’invention est ici décrite en application à un véhicule à lévitation magnétique tel qu’illustré aux figures 1A et 1B sous la forme d’un train 100 de voitures 101 et 102. Le train 100 circule dans un tunnel 103 partiellement sous vide d’air afin de minimiser la traînée aérodynamique, à cheval sur un rail central 104 capable de générer un champ magnétique adapté à faire léviter le train 100. Les moyens de lévitation magnétique ne sont pas détaillés ici, puisqu’ils ne constituent pas le cœur de l’invention.
Pour les faibles vitesses, lorsque la force de lévitation n’est pas assez importante pour sustenter entièrement le train 100, chaque voiture repose sur une surface de contact 200 au moyen d’atterrisseurs 150 formant ensemble un train d’atterrissage du véhicule, chaque atterrisseur étant déployable entre une position escamotée (telle que représentée pour la voiture 101) dans laquelle l’atterrisseur est éloigné de la surface de contact 200, et une position déployée (telle que représentée pour la voiture 102) dans laquelle les atterrisseurs 150 sont en contact avec la surface de contact 200 et capables de transmettre au sol une partie du poids de la voiture qui n’est pas compensée par les efforts de lévitation (ci-après la charge).
Comme cela est visible à la figure 2, chaque atterrisseur 150 comporte ici un balancier 151 articulé sur la voiture associée et portant à son extrémité libre un essieu 152 recevant une ou des roues 153 à rotation. Chaque roue 153 est équipée d’un frein et d’un pneumatique 154 assurant le roulage sur la surface de contact 200. Un vérin-amortisseur 155 est attelé entre d’une part la voiture et d’autre part le balancier 151. Le vérin-amortisseur 155 comporte un corps 156 articulé à la voiture, et dans lequel un cylindre 158 d’un amortisseur 159 est monté coulissant et peut être déplacé dans le corps 156 par un moteur électrique 160, au moyen ici d’une vis 161 entraînée en rotation par le moteur électrique 160.
Une tige 162 est montée coulissante dans le cylindre 158 de l’amortisseur 159. De façon connue en soi, l’amortisseur 159 est susceptible d’être compressé sous charge pour à la fois assurer une suspension de la voiture et un amortissement de ses mouvements verticaux. L’extrémité de la tige coulissante 162 est directement articulée sur le balancier 151.
Pour une position donnée de l’amortisseur 159 dans le corps 156, l’enfoncement de l’atterrisseur, et donc la garde au solh(mesurée ici entre la surface de contact 200 et le bas de caisse de la voiture représenté en pointillés) dépend de la charge P transmise au sol par la roue, qui représente la partie du poids de la voiture non compensée par les moyens de lévitation, augmentée ou diminuée des transferts de charges dues notamment aux accélérations ou aux freinages du véhicule. Si le moteur 160 repousse l’amortisseur 159 vers le sol, la longueur à vide du vérin-amortisseur 155 en sera augmentée, ce qui conduira à un enfoncement de l’atterrisseur moins important, et donc une garde au sol plus importante pour une même charge P. Le moteur électrique 160 (ainsi que les moyens de transformation du mouvement rotatoire de l’arbre du moteur en déplacement du cylindre 158 de l’amortisseur 159, comprenant la vis 161) constituent donc des moyens d’actionnement propres à modifier la caractéristique charge/enfoncement de l’atterrisseur, et donc le comportement de l’atterrisseur quand celui-ci est au contact avec la surface de contact.
Il est à noter que le moteur 160 peut être également utilisé pour rétracter l’atterrisseur vers la position escamotée, en rétractant totalement l’amortisseur 159 dans le corps 156.
Dans les modes de mise en œuvre détaillés ci-dessous, l’invention vise à mettre en œuvre un asservissement pour, quand l’atterrisseur est en position déployée et que la voiture est en appui sur la surface de contact via l’atterrisseur, générer une commande u du moteur électrique 160 de l’atterrisseur de sorte que la garde au sol h de la voiture reste le plus proche possible d’une consigne de garde au sol hc, l’invention consistant à modifier la commande u du moteur en fonction d’une estimation de la charge P vue par l’atterrisseur.
Selon un premier mode particulier de mise en œuvre de l’invention illustré à la figure 3, on met en œuvre un asservissement à boucle de rétroaction 300 dans lequel une commande u à destination du moteur 160 est élaborée par un contrôleur 301 de type PID à partir d’un écart ε entre la consigne de garde au sol hc et une estimation hestde la garde au sol h, obtenue à l’aide d’un estimateur 302. L’estimateur 302 estime la garde au sol en exploitant des données telles que l’enfoncement de l’amortisseur, ou en mettant en œuvre un capteur pour mesurer directement la garde au sol. Avant que la commande u ne soit fournie au moteur 160 pour ajuster la position de l’amortisseur 159 dans le corps 156, on modifie la commande u selon l’invention en y ajoutant une commande correctrice ucorrqui est élaborée à l’aide d’un correcteur 303 (mettant en œuvre une fonction de transfert) qui reçoit en entrée une estimation Pestde la charge P vue par l’atterrisseur, obtenue à l’aide d’un estimateur 304. L’estimateur 304 estime la charge au sol en exploitant des données telles que la pression interne de l’amortisseur 159, ou en mesurant un effort ou une contrainte vue par l’atterrisseur 150 à l’aide par exemple d’un capteur d’effort ou de jauges de contrainte. La commande correctrice ucorrpermet de modifier la commande u en anticipant une augmentation prévisible de l’écart ε due à une variation brusque de charge P. Ainsi, la commande u peut être amendée rapidement pour pallier une certaine lenteur de réaction de l’atterrisseur à cette variation brusque de charge P, de sorte à minimiser les variations de l’écart ε, et donc minimiser les variations de garde au sol.
La commande correctrice est de préférence déterminée par le correcteur 303 au moyen d’un algorithme prédictif mettant en œuvre un modèle de comportement de l’atterrisseur et anticipant la réaction de celui-ci à une variation de la charge P.
Selon un deuxième mode de mise en œuvre du procédé de l’invention illustré à la figure 4, et sur laquelle les éléments communs au mode de mise en œuvre précédent ont une référence augmentée d’une centaine, l’asservissement 400 est toujours du type à boucle de rétroaction et met également en œuvre un contrôleur PID 401 pour élaborer une commande u à partir d’un écart ε entre une consigne de garde au sol hc et une estimation de la garde au sol hest. A la différence du premier mode de mise en œuvre, l’estimation Pestde la charge P vue par l’atterrisseur est maintenant utilisée non pas pour élaborer une commande correctrice, mais pour modifier les gains kP, kI, kDutilisés par le correcteur PID 401 (respectivement les gains des composantes proportionnelle, intégrale et différentielle du PID). A cet effet, on met en œuvre un adaptateur 403 qui, à partir de l’estimation de charge Pest, adapte les gains kP, kI, kDpour modifier la commande u selon l’invention dans le sens d’une minimisation des variations de l’écart ε, et donc minimiser les variations de garde au sol.
Les gains kP, kI, kDsont de préférence calculés en temps réel à partir de l’estimation de charge Pest, par utilisation de fonctions paramétriques, ou encore de tables de valeurs, ou encore en mettant en œuvre un contrôle à modes glissants.
L’invention n’est pas limitée à ce qui vient d’être décrit mais englobe plus généralement toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications.
En particulier, bien que l’invention ait été décrite en application à un véhicule à lévitation magnétique se déplaçant dans un tunnel sous vide partiel, l’invention s’applique à d’autres types de véhicules, notamment des véhicules à coussin d’air, ou encore des hélicoptères ou gyravions pour lesquels le ou les rotors peuvent compenser une partie du poids de l’appareil alors que celui-ci repose au sol par son train d’atterrissage.
Bien que les moyens d’actionnement permettant de modifier la caractéristique charge/enfoncement de l’atterrisseur prennent ici la forme d’un moteur électrique capable de modifier la longueur à vide d’un vérin amortisseur, les moyens d’actionnement pourront prendre d’autres formes, comme par exemple des moyens de gonflage de l’amortisseur adaptés à faire varier la pression de gonflage de l’amortisseur, des moyens de transfert de fluide adaptés à faire admettre ou au contraire purger du fluide hydraulique dans l’amortisseur, ou tout autre moyen capable de modifier la caractéristique charge/enfoncement de l’atterrisseur, et plus généralement le comportement de l’atterrisseur quand il est en contact avec le sol.
Bien qu’ici le contrôleur illustré dans les deux modes de mise en œuvre de l’invention soit un PID, l’invention n’est pas limitée à l’utilisation de ce type de contrôleur, et on pourra utiliser tout autre type de contrôleur, par exemple un contrôleur de type bang-bang ou encore un contrôleur.
Bien que les procédés détaillés ici asservissent la garde au sol à une consigne de garde au sol, on pourra mettre en œuvre le procédé de l’invention pour asservir d’autres caractéristiques de fonctionnement du véhicule, telles que son accélération.

Claims (10)

  1. Procédé d’asservissement d’une caractéristique de fonctionnement (par exemple une garde au sol ou une accélération) d’un véhicule (100) reposant sur une surface de contact (200) au moyen d’au moins un atterrisseur (150) comportant des moyens d’actionnement (160) adaptés à faire varier un comportement de l’atterrisseur lorsque celui-ci est en contact avec la surface de contact, le procédé réalisant l’asservissement de la caractéristique de fonctionnement du véhicule (h) à une consigne donnée (hc) en générant une commande (u) à destination des moyens d’actionnement en fonction d’un écart (ε) entre la caractéristique de fonctionnement et la consigne, caractérisé en ce que l’asservissement comporte l’utilisation d’une estimation(Pest) d’une charge (P) vue par l’atterrisseur pour générer une modification de la commande (u) de façon à minimiser une variation de l’écart (ε) engendrée par une variation de la charge.
  2. Procédé d’asservissement selon la revendication 1, dans lequel on modifie la commande (u) en lui ajoutant une commande correctrice (ucorr) déterminée en fonction de l’estimation (Pest) de la charge vue par l’atterrisseur
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel La commande correctrice (ucorr) est déterminée par un algorithme prédictif mettant en œuvre un modèle de comportement de l’atterrisseur (150) et anticipant la réaction de celui-ci à une variation de la charge (P) vue par l’atterrisseur.
  4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la commande (u) est déterminée par un contrôleur (401) ayant des caractéristiques dépendant de l’estimation (Pest) de la charge vue par l’atterrisseur.
  5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le contrôleur est du type PID caractérisé par des gains (kP,kI,kD) qui sont déterminés en fonction de l’estimation (Pest) de la charge (P) vue par l’atterrisseur.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les gains (kP,kI,kD) sont déterminés au moyen d’une fonction paramétrique de l’estimation (Pest) de la charge, ou d’une table de valeurs.
  7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la caractéristique de fonctionnement asservie est une garde au sol (h) du véhicule.
  8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la commande (u) est destinée à un moteur électrique (160) de l’atterrisseur adapté à faire varier une caractéristique charge/enfoncement de l’atterrisseur susceptible de modifier le comportement de l’atterrisseur.
  9. Procédé selon la revendication 8, appliqué à un véhicule dont l’atterrisseur comporte un vérin-amortisseur dont le moteur (160) permet de faire varier une longueur à vide.
  10. Véhicule à lévitation magnétique comprenant un atterrisseur associé à des moyens d’actionnement agencés pour mettre en œuvre un procédé d’asservissement selon l’une des revendications 1 à 9.
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