Mesure directe du carrossage d'un véhicule routier avec des capteurs de distance laser

27/08/2017
Publication REE REE 2006-9
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-9:19666
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Résumé

Mesure directe du carrossage d'un véhicule routier avec des capteurs de distance laser

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	    <date dateType="Created">Sun 27 Aug 2017</date>
	    <date dateType="Updated">Sun 27 Aug 2017</date>
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Mesure directe du carrossage d'un véhicule routier avec des capteurs de distance laser tRan Dynamiquevéhicule, Pneumatique, Angle de carrossage, Mesure Guillaume GIRARDIN', Michel BASSET', Gérard GISSINGER', Bruno DUPUIS 1, Pierre ROMIEU 1 Laboratoire MIPS/Unl*versi'té de Haute Alsace', Renault - Direction de la Recherche, Centre Technique daubevoye 1 Lutilisation de capteurs laser de distance a permis au laboratoire MIPS de concevoir une méthode originale de mesure du carrossage, en collaboration avec Renault. La mesure dynamique du carrossage permet d'améliorer les modèles du pneumati- que pour mieux comprendre le comportement de cet organe fortement impliqué dans les prestations d'un véhicule (confort, sécurité,...). 1. Introduction Aujourd'hui, d'importants efforts sont faits pour amé- liorer les prestations du véhicule automobile telles que confort, sécurité, consommation et fiabilité. Ils deman- dent des moyens de simulation de plus en plus consé- quents, et une quête de modèles de plus en plus perfor- mants. Dans le champ de la dynamique véhicule, l'inté- gration dans le modèle global du véhicule d'un modèle décrivant l'interface roue - sol est vitale. En effet, la majeure partie desefforts est appliquée au véhicule via le pneumatique. Cependant, la compréhension des phéno- mènes impliqués dans la transmission de ces efforts est encore limitée. Par conséquent,l'amélioration des modè- les décrivant l'interface roue - sol est impérative pour répondre au besoin d'une meilleure modélisation de la dynamique du véhicule, ce qui pourrait étendre les champs d'investigation. La figure 1illustre les principaux phénomènes physiques pris en compte dans la modélisa- tion du pneumatique [11. Dans la littérature, plusieurs auteurs ont mené des recherches sur la modélisation du pneumatique et de l'in- terface roue - sol. Une bonne synthèse se trouve dans [10]. La plupart des modèles de pneumatique sont récents. Le modèle semi empirique de Pacejka [9] est actuellement la référence industrielle. Les plus populaires sont ensuite ceux de Guo [2], Milliken [7] (deux modèles hybrides) et celui deZhou [13] (modèle deconnaissance). Tous ces modèles considèrent en entrée, pour une adhé- rence donnée, le glissement, l'angle de dérive, l'angle de carrossageet les efforts appliqués au pneumatique ; et produisent en sortie une estimation des efforts à l'inter- face roue - sol. En vue d'une meilleure compréhension, et pour dispo- ser d'un modèle plus affûté et robuste du pneumatique, la mesureou l'estimation précise des entréeslistées ci-avant sont nécessaires.Les travaux de Zami [121 donnent des solutions pour obtenir les efforts au pneumatique, l'angle de dérive ainsi que le glissement, tandis que ceux de Stephant [11] se concentrent sur la mesure de l'angle de dérive. Cet article traitera, quant à lui, de la mesure pré- cise de la dernière entréenécessaireau modèle pneumati- que : l'angle de carrossage. ESSENTIEL Cetarticletraitedel'étudeducomportementdynamiqueduvéhi- cule,et en particulierdu besoind'uneprécisionaccruepour la modélisationdu pneumatique.Il présenteunesolutionoriginale demesuredirecteducarrossageroue- sol,c'està direl'inclinai- sondelaroueparrapportà laroute.Cettesolutionfait intervenir descapteursde distancelaser,plusieursmontagesmécaniques et unsystèmeinformatiqueembarquéàbordd'unprototypepour l'acquisitionet letraitementdedonnéesentempsréel. SYNOPSIS Thispaperdeals with vehicle dynamicsstudying,andparticularly withincreasingprecisionneedsfortyremodelling. It describesan original solutionfordirectmeasurementof thewheel- roadcam- berangle, definedastheanglebetweenthe rimandtheroadway surface.Thissolution uses laserdistancesensors,severalmecha- nical assembliesanda laboratorytestcar fitted withanembedded acquisitionsystemfor real-timedataprocessing. REE NI 10 Novembre2006 1 Couramment défini comme l'angle entre le plan de jante et un plan perpendiculaire à la route, l'angle de carrossage peut être mesuré par une méthode indirecte. Son principe consiste à déterminer en premier l'angle entre la jante et la caisse du véhicule, puis la position de la caisse par rapport à la route, pour finalement en déduire l'angle de carrossage entre la jante et la route. Un petit nombre de capteurs indus- triels sont développés sur cette approche, mais ils sont sou- vent coûteux, difficiles à mettre en oeuvre ou ont une trop faible bande passante. De plus, la précision risque d'être limitée par rapport au besoin des applications futures. Une seconde approche utilise la mesure de plusieurs variables de la roue, du pneumatique et de la direction (position de la crémaillère, orientation de la caisse, efforts au pneumatique, etc.) pour calculer une estimation de l'angle de carrossage. Cette solution peut être précise mais nécessite un modèle complet très pointu du véhi- cule, et peut être difficile à implémenter en raison du grand nombre de paramètres à mesurer et traiter. Une autre approche possible est la mesure directe de innovant est détaillé, suivi d'une analyse des résultats obtenus : d'une part le capteur a été calibré sur un banc statique, d'autre part il a été utilisé lors de tests dynami- ques avec un véhicule de test du laboratoire. 2. Systèmes existants Dans les quelques références bibliographiques dispo- nibles sur la mesure de l'angle de carrossage, trois appro- ches différentes se dégagent : une approche directe pour laquelle un capteur est monté sur la roue, et deux métho- des indirectes avec lesquelles l'angle de carrossage roue/ sol est obtenu à partir de la mesure d'autres variables. Les paragraphes suivants présentent les trois approches et les évaluent en termes de précision, de coût et de compatibi- lité avec les autres capteurs montés sur la roue. 2.1. Approche par mesure directe Cette approche a été introduite dans [8], comme une · Contamination (eau. neige) . Dessin · Texture route . Usure 1 f---) (--- Perturb. sur la Perturb. sur la. surface contact carcasse : (J,alCI81ce._fraG Pr_.siri L1t1;=LIfi,=fë c:f-1:3ine contactForces orc t]contact \ Forces / contact . Pression . Température (interne) Géométrie : angles... Charge Perturb. sur caract. frot. . Type cie route · Température (externei . Surface Figure 1. Ensenible des phénoinènes physiques pi-is en coiiipte dans la niodélisation dit pneiiinatique [1]. l'inclinaison de la jante en utilisant un montage monté sur la roue pour suivre ses mouvements. Cette approche a été choisie pour le système présenté ici. Le principe de mesure développé utilise trois capteurs de distance laser montés sur une plaque fixée sur la roue à travers un rou- lement à billes. Les capteurs laser sont orientés de façon à mesurer trois distances entre la plaque parallèle à la jante et la route. Ces distances sont ensuite utilisées pour estimer l'angle entre cette plaque et le plan perpendicu- laire à la route, c'est-à-dire l'angle de carrossage. Une synthèse des principales approches et systèmes existants pour la mesure de l'angle de carrossage est l'ob- jet de la section suivante. Puis, le principe du capteur 1 REE W 10 Novembre2006 part de l'équipement de mesure destiné à la caractérisa- tion du pneumatique, qui comprend une roue dynamomé- trique pour mesurer les efforts au pneumatique, ainsi que des capteurs d'angle de dérive et d'angle de carrossage. La mesure d'angle de carrossage s'effectue en montant deux capteurs laser à triangulation sur un bras perpendicu- laire au centre de la roue. Ce bras est attaché à la roue ; par conséquent, les capteurs précis suivent les mouvements de la jante, et mesurent chacun une distance entre ta surface de la route et le bras. Un filtrage élimine ensuite la texture de la route, considérée comme un signal haute fréquence de perturbation. Les distances réelles ainsi obtenues permet- tent de calculer l'angle entre la roue et la route. Mesure directe du carrossage d'un véhicule routier avec des capteurs de distance laser Cette méthode de mesure directe est une solution peu coûteuse et précise, à la condition que le filtrage de la gra- nulométrie de la route soit parfait. Cependant, le bras sup- portant à la fois les capteurs laser et le capteur d'angle de dérive peut être source de vibrations, et donc détériorer la précision de mesure. De plus, le désalignement vertical des capteurs dû aux mouvements de roue (braquage ou enroulement, par exemple) est une autre source d'erreur qu'il est difficile de prendre en considération. 2.2. Approche indirecte par mesure Dans ce cas, la méthode consiste à déterminer en pre- mier l'angle entre la roue et la caisse du véhicule, puis la position de la caisse par rapport à la route (roulis, tan- gage) pour finalement en déduire l'angle de carrossage roue/sol. Un petit nombre de capteurs industriels ont été développés pour mesurer l'angle entre la roue et la caisse, souvent appelé carrossage roue/caisse (de plus amples informations sont disponibles sur les sites web des constructeurs [3] [4] [5] [6]). Ces capteurs ont une bonne précision et la position de la caisse, en particulier l'angle de roulis, peut être déterminée avec précision également. Toutefois, ces capteurs de carros- sage roue/caisse ont plusieurs défauts : leurs dimensions et poids importants ne permettent pas de monter d'autres cap- teurs en même temps sur la roue ; de plus ils sont très coû- teux et difficiles à mettre en oeuvre (ils nécessitent une lon- gue phase d'ajustement et de calibration à chaque montage, et parfois un système d'acquisition propriétaire...). 2.3. Approche indirecte par calcul Cette solution présentée dans [12], calcule une estima- tion du carrossage roue/caisse à partir de la mesure de la position des suspensions, de l'angle de braquage et des efforts au pneumatique. La soustraction de l'angle de roulis l'o. Ftinii es <111 cronrnillcre strsmnsiorr r>rrr·rr Nappe cinématiyue Nappe Elasto-cinématique crémmlh'r(' SHS/)('IlSIOIl/)/1 ('11 Camossae cinématique Cawos.sage élasto. 1 .. 1 ('aJTossagc Roue Caisse i Col] -ection (le l'at,gle Carross (i,-e Rotie/Sol Figure 2. Synoptique dc-stiiiiation du carrossage roue- sol ( [12]). du véhicule donne l'angle de carrossage roue/sol désiré. Le processus de reconstruction (figure 2) utilise une nappe cinématique (figure 3a) pour déduire le carrossage cinématique à partir de la position de crémaillère (image de l'angle de braquage) et de la position de la suspension, et une nappe élasto - cinématique (figure 3b) pour prendre en compte la déformation élastique des trains pseudo Mac Pherson (proportionnelle aux efforts au pneumatique). De prime abord, cette solution d'estimation a un grand avantage : elle peut être mise en oeuvre sans ajouter d'équi- pement spécifique au véhicule ; en effet, toutes les varia- bles sont celles habituellement mesurées pour la caractéri- sation du pneumatique. Cependant, la connaissance des nappes cinématiques et élasto - cinématiques nécessaire est souvent réservée aux constructeurs automobiles. La préci- sion de cette méthode n'a pas encore été complètement éta- blie, mais Zami l'a estimée très prometteuse. , -: P,crém,(m) Deb.A VG(m) P.crém.(m) Déb. A VG(m) (a) Figure 3. Nappes élasto - cinéiiiatiques potii- le cai-rossage de la roue av (,int gauche d'un Reiiault Sceî7ic ( [12]). REE.N Noveiiibre2OO6 a 35 1 Dossîer CAPTEURS ET ACTIONNEURS POUR APPLICATIONS AUTOMOBILES Lasei@; a --,e t 3e 6 Laser 1 ROTUJTE Figure 4. Pi-ii7cipe du captetil- de ilesitre directe de ccii-i-o.sage. 3. Principe de la solution développée La solution développée par le laboratoire M.I.P.S./ M.I.A.M. est une solution de mesure directe. Elle peut sembler proche de celle décrite dans [81 ; elle reprend, par exemple, l'idée de fixer un dispositif sur la jante et d'uti- liser des capteurs de distance laser. Toutefois, l'accent a été mis sur la prise en compte de la granulométrie de la route et des mouvements de roue (accélération verticale, enroulement, voilage). En outre, l'objectif de compatibi- lité entre le capteur de carrossage et les autres capteurs susceptibles d'être montés sur la roue (capteur de force, d'angle de dérive...) a été fortement considéré durant cette étude. Toutes ces contraintes ont mené à un place- ment original de trois capteurs laser sur un plan parallèle à la jante (figure 4). L'idée consiste à monter une plaque parallèle à la jante, sur laquelle viennent se fixer trois capteurs de distance laser inclinés par rapport à cette plaque. Ces trois capteurs mesu- rent chacun une distance entre la plaque et la route, ce qui permet de calculer l'angle de carrossage y, défini comme l'angle entre la jante et le plan normal à la route. Les paramètres P, L et a ont été calculés de façon à réduire l'influence de l'erreur de mesure des capteurs (erreur due à leur niveau de précision et à la granulomé- trie de la route). Voici les formules permettant de calculer le carrossage à partir des distances dl à d3 : 0 C/-/'-C' ; v = 2 - arccos - 2.1.c (1) 2 -2.1.c 1 -= L. cos,8 avec : d=d 2+ d " -diavec : 2 e = l'+ d'- 2.1.d.cosa La précision de reconstruction de l'angle de carrossage est fortement liée à la précision des paramètres de ces équa- tions. C'est pourquoi un banc de mesure et des appareils calibrés ont été utilisés pour déterminer la position exacte des capteurs sur la plaque ; la précision pour les distances est de 0,1 mm et de 0,01'pour l'angle d'inclinaison. Les cap- teurs laser par triangulation ont quant à eux une précision dynamique de 0,3 mm. De plus, un soin particulier a été apporté durant toutes les phases de conception et de réalisa- tion au respect de l'alignement des pièces et des dimensions, afin d'éviter l'apparition de mouvements non désirés (du voilage par exemple) et de réduire l'intensité des vibrations. Néanmoins, la granulométrie de la route reste le prin- cipal problème pour les solutions de mesure directe ; elle superpose en effet un bruit sur les mesures de distance. Dans la solution présentée, l'inclinaison des capteurs de distance contribue à réduire le bruit provenant de la route et un filtrage élimine le reste. Cette approche se justifie par le caractère haute fréquence du bruit provenant de la route, comparé à la faible dynamique du carrossage (moins de 7 Hz). En outre, il est possible de constater, lorsque la vitesse du véhicule augmente, que les mesures de distances sont lissées. L'hypothèse explicatrice avan- cée est que la distance parcourue durant un temps d'échantillonnage devient plus grande que la taille des irrégularités de la route, et le capteur ne peut alors plus mesurer tous les trous ou bosses du revêtement. 4. Validation expérimentale La solution de mesure n'est pas composée unique- ment du capteur monté sur la roue. La procédure de cali- 1 REE NI 10 Novembre2006 Mesure directe du carrossage d'un véhicule routier avec des capteurs de distance laser bration statique et les tests dynamiques étaient prévus dès l'établissement du cahier des charges. Par conséquent, un banc de calibration statique a été conçu et réalisé par l'équipe du laboratoire pour calibrer le capteur de carros- sage. Les tests dynamiques ont suivi pour valider Jecom- portement du montage mécanique sur la roue et de la chaîne complète « véhicule - capteur - acquisition ». 4.1. Caractérisation des capteurs de distance Dans le but de réduire l'erreur de mesure, la courbe caractéristique réelle de chaque capteur laser de distance a été mesurée. Ces courbes ont servi à définir le place- ment optimal pour chaque capteur laser dans le montage final, puis ont été prises en compte dans le processus de reconstruction du carrossage, permettant une conversion exacte « tension - distance », malgré les fortes non linéa- rités des capteurs (figure 5). distances I_nre_istrement ensionshnuas Dynamiqnedu mc,.._ i y Filtrage Tensionsfilrrécs <'nrned répo,m C'ouvetsionen rEuedsTpm,r. distances Distauces counenwm,nu;cs Rccoastruc1iondusuaquc cawossac . :uTUSSai'e C<.'u!bcd\-tak't!!tF'c Rccotistrm.'hondu sanque can'oss.tc Figtii-c- 5. Pi-océdiii-c- de i-ecoiisti-iiction du cari-os.a,-e. 4.2. Calibration statique La calibration statique a été effectuée dans les mêmes conditions d'enregistrement que les essais dynamiques, en utilisant l'équipement matériel et logiciel embarqué dans le véhicule. La phase de calibration statique permet de com- parer la réponse de notre capteur (angle de carrossage reconstruit) avec son inclinaison réelle (mesurée par un inclinomètre de référence). Cette information est ensuite reprise dans le processus de reconstruction (figure 5), afin d'éliminer les offsets et non linéarités de la chaîne d'acqui- sition. Cette phase a aussi permis de déterminer la plage de mesure du capteur développé. Les capteurs laser ayant une plage de mesure de 250 mm et étant montés à une hauteur de 100 mm au dessus de la route, le capteur peut mesurer des angles de carrossage compris entre -6'et +10'. 4.3. Essais dynamiques Plusieurs essais ont été effectués dans des conditions de roulage normales ou spécifiques avec un véhicule de test du laboratoire. Pour cela, un Coupé Mégane Renault était équipé d'un système de mesure temps réel D-Space, composé d'un Autobox exécutant un modèle Matlab/ Simulink et d'un PC industriel relié à l'Autobox pour enregistrer les données et visualiser les courbes durant l'essai. La chaîne d'acquisition travaille à 1000 Hz, et enregistre, outre les trois distances nécessaires à la reconstruction du carrossage, l'accélération dans les trois axes et les vitesses de lacet et de roulis au centre de gra- vité, l'angle volant et les vitesses longitudinale et trans- versale du véhicule (figure 6). Un montage mécanique dédié a été conçu et réalisé pour fixer le capteur de carrossage sur la roue. Il dispose de deux points de fixation : le premier le relie à la roue via un roulement à billes, et le second le fixe au capot pour maintenir l'horizontalité (et ainsi éliminer l'enroule- ment) tout en permettant le braquage et le débattement de suspension. Pour réduire encore les risques de vibrations et d'enroulement, la plupart des tests ont été effectués à vitesse constante. 5. Résultats obtenus Les essais présentés (figure 7) se sont déroulés de nuit pour obtenir une meilleure réponse des capteurs de dis- Vitesseslongi.et trans. V, et V, Angle volant a, -1 Accélérations y,, y,, y Vitessesde lacetet roulis Angie de carrossage y l/ 1 1 lï --j f " 11 11 - i 1 1*1e e 1. -4 Figure 6. Equipement pour les essais dynamiques : le Coupé Mégane Renault et le capteur de carrossage. REE N'10N io 37 NoveII) b,e 2006 1 37 - i-------------------------------------------,------------------------------ ! i0û-',nu .: