WO2012127139A1

WO2012127139A1 - Estimation du rayon dynamique d'une roue et de la vitesse d'un vehicule automobile

Info

Publication number: WO2012127139A1
Application number: PCT/FR2012/050342
Authority: WO
Inventors: Guillermo PITA-GIL; Franck PLESTAN; Said MOUSSAOUI; Nicolas Romani; Charbel EL TANNOURY
Original assignee: Renault S.A.S.
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2012-09-27
Also published as: FR2973115B1; FR2973115A1

Abstract

La présente invention est relative à une méthode d'estimation de paramètres d'un véhicule en mouvement, ledit véhicule étant muni de roues équipées de pneumatiques, la méthode comprenant : -la mesure ou l'estimation de la valeur de la vitesse angulaire de rotation d'au moins une roue, -la mesure ou l'estimation de la valeur du couple appliqué à ladite roue, caractérisée par le fait que la méthode utilise un observateur de la dynamique de la roue basé sur la théorie des modes glissants dont les signaux d'entrée sont la valeur de la vitesse angulaire de roue ainsi que la valeur du couple appliqué à la roue, et les variables estimées sont la vitesse longitudinale v_xde la roue, ainsi que le rayon dynamique R de la roue.

Description

ESTIMATION DU RAYON DYNAMIQUE D'UN E ROU E ET DE LA VITESSE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE

La présente invention se rapporte à l'estimation du rayon dynamique d'u ne roue et de la vitesse linéaire d'u n véhicule automobile, ainsi que des paramètres du véhicu le découlant de la connaissance de ces grandeurs.

Il est bien connu que la roue constitue u n organe essentiel du véhicu le puisque constituant l'interface entre le véhicule et la chaussée. Sa pression de gonflage est notamment une donnée de sécu rité importante qu'il convient de su rveiller, de préférence continuellement.

Lorsque les roues, équipées de leurs pneu matiques, sont installées su r u n véhicu le, elles su pportent alors le poids du véhicule, et par su ite le rayon des roues diffère du rayon nominal, qui correspond au diamètre extérieur des roues prises séparément.

En référence à la figu re 1 qu i montre l'état d'u ne roue 1 équ ipant un véhicu le (non représenté) reposant sur un sol 2, on définit ainsi u n rayon sous charge R_c qu i correspond à la distance entre l'axe de rotation de la roue et le sol, ainsi qu'un rayon dynamique R qui correspond à la distance parcou rue pour u n tou r de roue divisée par 2π. Le rayon nominal R_n0m est le rayon de la roue prise seule, hors du montage sur véhicu le.

L'intérêt de la connaissance ou de l'estimation du rayon dynamique en temps réel est notamment de permettre une estimation de la vitesse longitudinale du véhicu le via la mesu re de la vitesse angu laire de la roue.

Jusqu'à présent, lorsq ue la vitesse était déterminée par ce moyen, c'est le rayon nominal connu à priori qu i était utilisé, ou le rayon dynamique fou rni pou r u ne charge et à une vitesse donnée, avec des abaques de correction en fonction notamment de la vitesse. Mais, si le rayon dynamique évolue, notamment à la ba isse par une perte de pression des pneumatiques, la vitesse estimée est alors erronée.

Une autre façon d'estimer la vitesse consiste à utiliser les indications fou rnies par les dispositifs de localisation, tel le Global Positioning System (G PS), mais cette méthode présente une faible précision.

Par ailleu rs, l'estimation en temps réel du rayon dynamique de roue peut permettre d'informer le conducteu r d u niveau de pression de ces pneumatiques et donc de l'évol ution de cette pression, et ainsi l'avertir, notamment en cas de dégonflage ou de crevaison .

Dans le domaine de l'estimation du rayon dynamique, le document US 2004/0225423 propose une relation linéaire entre la force longitudinale et le pseudo-glissement, utilisant une rigid ité longitudinale constante du pneumatique. Une estimation de cette rigid ité et du rayon effectif se fait en utilisant un modèle de régression linéaire ou la technique des moindres carrés totaux non linéaires.

Mais cette méthode est très exigeante de complexité de calcu l et ne permet pas une mise en œuvre en temps réel . En outre, la relation entre le pseudo-glissement et la force longitudinale n'étant pas parfaitement linéaire, l'estimation résu ltante manque de précision.

La présente invention vise ainsi à proposer u n estimateu r du rayon effectif de la roue et de la vitesse du véhicu le robuste et en temps réel, utilisant seu lement les informations de couple moteur et de vitesses angu laires des roues fournies par exemple par les codeu rs ABS.

La présente invention est atteinte à l'aide d'une méthode d'estimation de paramètres d'un véhicu le en mouvement, ledit véhicule étant muni de roues équipées de pneumatiques, la méthode comprenant :

la mesure ou l'estimation de la valeur de la vitesse angulaire de rotation d'au moins une roue,

- la mesure ou l'estimation de la valeur du couple appliqué à ladite roue,

caractérisé par le fait que la méthode utilise un observateur de la dynamique de la roue basé sur la théorie des modes glissants dont les signaux d'entrée sont la valeur de la vitesse angulaire de roue ainsi que la valeur du couple appliqué à la roue, et les variables estimées sont la vitesse angulaire Ω de rotation de la roue, la vitesse longitudinale v_x de la roue, ainsi que le rayon dynamique R de la roue.

Ainsi, cette méthode permet une estimation de la vitesse longitudinale ainsi que du rayon dynamique de roue sans autre mesure ou estimation que la vitesse de rotation des roues et le couple appliqué à la roue. L'utilisation d'un observateur fondé sur la théorie des modes glissants permet notamment de lui conférer une certaine robustesse face aux incertitudes et perturbations, ce qui est d'autant plus nécessaire que la dynamique du rayon de roue n'est pas connue à priori.

Par ailleurs, cette théorie permet également une convergence rapide.

Selon, l'invention, l'observateur utilise les équations suivantes appliquées à la roue :

JÙ = z-RF -C_fQ,

x^f

Mv_x=F_x~F_d-F_r, où J et M sont respectivement l'inertie et la masse d'un quart de voiture comprenant la carrosserie et la roue, τ est le couple appliqué à la roue, C_f est le coefficient de frottement visqueux de la roue, F_x est la force de traction, F_d est la force aérodynamique, et F_r est la force de résistance au roulement. Avantageusement, la force de traction est définie par la relation F_x = Mgμ, où μ est le coefficient d'adhérence, ce coefficient étant approximé par sa relation au pseudo-glissement λ de la roue définie par : μ(λ) = 2μ_{0 2} ,

Α₀ + A où λ₀ est le pseudo-glissement optimal correspondant à l'adhérence maximale μ₀.

Cette relation entre le coefficient d'adhérence et le pseudoglissement représente une approximation plus réal iste que les relations pl us cou ramment util isées, où la force de traction est exprimée comme linéairement dépendante du pseudo glissement.

Selon une particu larité de la méthode, le rayon dynamique, qu i est donc inconnu, est su pposé comme présentant une variation lente, ce qui permet d'amener des simplifications au niveau de l'observateur. Avantageusement, la valeu r de la vitesse ang ulaire de rotation de la roue est issue de capteu rs du système de freinage anti-blocage du véhicu le.

La présente invention est également relative à u n véhicu le automobile comportant u n dispositif de su rveillance de la pression des pneumatiques utilisant la variation du rayon dynamique desdits pneu matiques comme indicateu r de la variation de pression, le rayon dynamique étant estimé à l'aide d'une méthode selon l'une des caractéristiques précédemment évoquées.

La présente invention vise également un véhicu le automobile comportant une indication de la valeu r de la vitesse dudit véhicu le, caractérisé en ce q ue ladite vitesse est estimée à l'aide d'une méthode selon l'une des caractéristiques précédemment évoquées. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

la figure 1 est une vue schématique d'une roue et des forces s'appliquant sur cette roue dans un véhicule en mouvement,

la figure 2 est une représentation du Jacobien de l'observateur décrit dans l'invention,

les figures 3 à 5 montrent le résultat de différentes simulations à l'aide de la méthode selon l'invention. En référence à la figure 1, lorsqu'une roue est montée dans un véhicule, et que le véhicule est mis en mouvement, la roue, qui initialement, avant son montage dans le véhicule, présentait un rayon de roue R_n0m, présente alors un rayon dynamique R, différent du rayon nominal, et différent également du rayon sous charge R_c, tel qu'il a été décrit précédemment.

Le modèle représentant la dynamique de la roue est basé sur l'application de la deuxième loi de Newton aux forces agissant sur la roue pendant une phase d'accélération. Ceci permet d'établir les équations principales des dynamiques longitudinale et rotationnelle à la roue :

JÙ = z-RF_x-C_fQ,

Mv_x=F_x-F_d-F_r,

où Ω est la vitesse angulaire de roue, R le rayon dynamique, v_x la vitesse linéaire du véhicule, C_f le coefficient de frottement visqueux de la roue, J et M respectivement l'inertie et la masse d'un quart de voiture comprenant la carrosserie et la roue. En plus du couple r à la roue, les forces principales agissant sur la roue sont la force de traction F_x, la force aérodynamique F_d et la résistance au roulement

F , telles que représentées figurel, et qui sont données par les formules suivantes : F_d (v_x) = pA_dC_dv_x ²,

F_r(v_x) = MgC_r(v_x),

x(A) = _g i(A),

où C_d est le coefficient de pénétration dans l'air, p la masse vol umique de l'air et A_d la su rface de la zone frontale du véhicule. Le paramètre C_r est le coefficient de résistance au rou lement, coefficient fonction de la vitesse d'avancement v_x du véhicule, et μ(λ) est le coefficient d'adhérence de la roue dépendant du pseudo-glissement de la roue. Ce coefficient est défini par la relation su ivante :

RQ RQ

La relation entre μ et λ est approximée par la fonction su ivante :

μ(λ) = 2μ₀ ^ληλ

où λ₀ est le pseudo-glissement optimal, correspondant à l'ad hérence maximale μ(λ₀) = μ₀ . Cette relation est plus précise et plus proche de la réal ité qu'u ne variation linéaire entre la force de traction F_x et le pseudo-glissement A, tel qu'il est fréquemment rencontré.

Enfin, le rayon effectif R est su pposé être inconnu mais ayant une variation lente selon la relation Α = η, qu i est donc u ne constante de valeur inconnue.

Selon l'invention, les valeurs que l'on souhaite estimer sont la vitesse de rotation angu laire des roues Ω, la vitesse d'avancement v_x, ainsi que le rayon dynamique R .

La représentation d'état se note alors x = [x_l x₂ x₃f = [Q V_X R]^T avec l'entrée de commande u = , ce qui permet alors, compte tenu des équations précédentes, d'exprimer x par la relation :

Par ailleu rs, selon l'invention, la valeur de la vitesse de rotation

Ω est connue, de sorte que le terme ne dépend que de

variables connues. Or on sait que les propriétés d'observabil ité ne sont pas modifiées par la prise en compte ou non de ce terme, qui sera donc ig noré par la su ite.

De plus, on choisit pour l'observateur, la valeu r η = 0, dès lors que cette dynamique du rayon n'est pas connue, et que l'observateu r va estimer les paramètres en temps réel . Ainsi, la conception de l'observateur est faite sur le système simplifié : x₃F_x(x)

J

{F_x(x) -F_d(x)-F_r(x))

M

La force F_x s'exprime alors par la relation

On définit ensuite la transformation suivante

avec y = Ω = ; la sortie mesurée.

Si le déterminant du jacobien de cette transformation est différent de zéro, la dynamique des variables d'état estimées s'écrit, selon la technique des modes glissants d'ordre trois :

avec

y i = L^1,2 _Yl signiyX

γ₃ =1.1 Lsign(Y₂),

où L est un paramètre de réglage de l'observateur. La prise en compte du signe permet que les écarts entre les variables estimées et mesurées tendent vers zéro.

Afin de vérifier si l'observateur proposé présente une convergence et des estimations correctes des variables envisagées qui sont le rayon dynamique de roue et la vitesse longitudinale, une simulation est effectuée.

Pour cette simulation, il a été choisi une vitesse longitudinale de véhicule égale à 20 m/s. La valeur nominale du rayon dynamique est fixée à 0,3 m.

Par ailleurs, la relation entre la force de résistance au roulement F_r et la vitesse est supposée linéaire : F_r = M.g.C_r.v_x. Les paramètres de la simulation sont choisis pour être aussi proches que possible des valeurs réelles. Ainsi, les différentes valeurs des paramètres nécessaires à la simulation sont : J = 45 kg. m², M = 440 kg, A_d = 0,65 m², p = 1,205 kg. m^"3 , g = 9,807 m. s^"2, C_f = 0,08 kg. m². s^"1, C_d = 0,25, C_r = 0,02, μ₀ = 0,9 et λ₀ = 0,25.

Avant d'appliquer l'observateur, on simule une vitesse du véhicule sensiblement constante en appliquant une loi de commande simple qui fournit un couple consécutif à la roue. Cette loi n'a aucune incidence sur l'observateur puisque, pour ce dernier, le couple est une entrée et donc une donnée connue.

Pour travailler dans des conditions aussi proches que possible d'une situation réelle, il a été supposé que le rayon effectif et sa dynamique sont bien connus au cours de la conception de la commande.

L'objectif consiste à veiller à ce que le véhicule avance à une vitesse lentement variable dans le temps : v_x ^d = (l + 0.01sin(w ), avec une valeur constante prise ici égale à 20 m/s, w = 2nf et / = 0.05 Hz .

Considérons la sortie z à commander, qui représente donc l'écart entre la vitesse à un instant t et la vitesse désirée : z = RQ-v_x ^d-

Le degré relatif de z est égal à 1, ce qui donne :

A corriger : dans les équations c'est -RFx

Par conséquent, le couple appliqué à la roue s'écrit :

avec k>0, qui est fixé de manière empirique à k=l dans cette simulation. Ce choix est fait pour obtenir un comportement acceptable sans aucune contrainte supplémentaire sur la réponse du système en boucle fermée.

Les valeurs initiales x(0) du simulateur sont

15/0.3

x(0) 15

0.3

Il a en effet été choisi de partir d'une vitesse initiale de 15 m/s pour tendre vers 20 m/s par la commande.

Le paramètre L de l'observateur a été réglé à L = 0,02. Les valeurs initiales x(0) de l'observateur sont choisies selon :

x(0) rayon de la roue a volontairement

augmenté pour voir si l'observateur permet de converger.

On simule un rayon de roue réel qui diminue, passant de 30 cm à 27 cm, entre les temps ti = 40 s et t₂ = 60 s.

De plus, un bruit aléatoire additif de moyenne nulle est ajouté à la vitesse angulaire sortant du simulateur et utilisée comme entrée de l'observateur. La variance du bruit est fixée à 5.

La figure 2 montre que le déterminant du Jacobien est bien toujours différent de zéro, ce qui est une condition de validité de l'observateur.

La figure 3 représente l'évolution du rayon dynamique. La courbe Ci est la courbe réelle de la simulation, où le rayon, initialement à 300 mm passe de cette valeur à 270 mm entre les instants ti = 40 s et t₂ = 60 s. La courbe C₂ est la courbe résultant de l'observateur. On voit que la valeur initiale de 310 mm converge rapidement vers la valeur de 300 mm. De plus, la variation de la valeur du rayon dynamique, introduite au temps tl = 40 s, simulant en quelque sorte un dégonflage du pneumatique, est également bien suivie par l'observateur qui converge rapidement vers la valeur de 270 mm.

De même en figure 4, la vitesse simulée de rotation de la roue, représentée par la courbe Di en pointillés, est bien estimée par l'observateur (courbe pleine D₂), et la baisse de la valeur du rayon, qui entraîne une augmentation de la valeur de rotation, est également bien estimée.

Là où une augmentation de la vitesse de rotation aurait, dans d'autres dispositifs, entraîner une augmentation de l'estimation de vitesse, la méthode selon l'invention permet, par une estimation correcte et en temps réel de la valeur du rayon dynamique, de pouvoir estimer une valeur de vitesse très proche de la vitesse simulée, comme en témoigne la figure 5. Sur cette figure, la courbe Ei en pointillés est la courbe simulée et la courbe E₂ est la courbe estimée à l'aide de l'observateur. Il est remarquable de constater que, non seulement l'observateur permet de suivre la valeur de vitesse qui passe progressivement de 15 m/s à 20 m/s, mais également de constater que lors de la variation du rayon dynamique de roue à tl à 40 s, malgré un léger écart par rapport à la simulation, l'observateur converge à nouveau rapidement vers la valeur simulée.

La méthode montre ainsi clairement les possibilités offertes par un observateur selon la méthode présentée, notamment dans l'estimation de la vitesse longitudinale du véhicule ainsi que du rayon dynamique, simplement à partir de la valeur mesurée ou estimée du couple à la roue et de la valeur estimée ou mesurée par les capteurs du contrôle d'anti-blocage des roues de la vitesse de rotation desdites roues. Le rayon dynamique peut permettre notamment une surveillance et un contrôle de la pression des pneumatiques qui influe directement sur la valeur dudit rayon.

Claims

REVENDICATIONS

1. Méthode d'estimation de paramètres d'un véhicule en mouvement, ledit véhicule étant muni de roues (1) équipées de pneumatiques, la méthode comprenant :

- la mesure ou l'estimation de la valeur de la vitesse angulaire Ω de rotation d'au moins une roue (1),

-la mesure ou l'estimation de la valeur du couple τ appliqué à ladite roue (1),

caractérisée par le fait que la méthode utilise un observateur de la dynamique de la roue (1) basé sur la théorie des modes glissants dont les signaux d'entrée sont la valeur de la vitesse angulaire Ω de roue (1) ainsi que la valeur du couple τ appliqué à la roue (1), et les variables estimées sont la vitesse longitudinale v_x de la roue (1), ainsi que le rayon dynamique R de la roue (1).

2. Méthode d'estimation de paramètres d'un véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'observateur utilise les équations suivantes appliquées à la roue (1) :

JÙ = z-RF_x-C_fQ,

Mv_x=F_x-F_d-F_r,

où J et M sont respectivement l'inertie et la masse d'un quart de voiture comprenant la carrosserie et la roue (1), C_f est le coefficient de frottement visqueux de la roue (1), F_x est la force de traction, F_d est la force aérodynamique, et F_r est la force de résistance au roulement.

3. Méthode d'estimation de paramètres d'un véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la force de traction est définie par la relation F_x = Mgμ, où μ est le coefficient d'adhérence de la roue (1), ce coefficient étant approximé par sa relation au pseudo-glissement λ de la roue (1) définie par : μ(λ) = 2μ_{0 λ2 +} ⁰ _λ2, où λ₀ est le pseudo-glissement optimal correspondant à l'adhérence maximale μ₀.

4. Méthode d'estimation de paramètres d'un véhicule selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la variation du rayon dynamique de la roue (1) est supposée lente.

5. Méthode d'estimation de paramètres d'un véhicule selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la valeur de la vitesse angulaire de rotation de la roue (1) est issue de capteurs du système de freinage anti-blocage du véhicule.

6. Véhicule automobile comportant un dispositif de surveillance de la pression des pneumatiques utilisant la variation du rayon dynamique desdits pneumatiques comme indicateur de la variation de pression, le rayon dynamique étant estimé à l'aide d'une méthode selon l'une des revendications 1 à 5.

7. Véhicule automobile comportant une indication de la valeur de la vitesse dudit véhicule, caractérisé en ce que ladite vitesse est estimée à l'aide d'une méthode selon l'une des revendications 1 à 5.