Procédé et système d’évitement d’obstacles comprenant la commande des systèmes de braquage et de freinage différentiel

Domaine technique

La présente invention concerne le domaine des véhicules automobiles, et notamment les systèmes d’aide à la conduite pour la prévention des collisions.

Les accidents provoqués par des collisions, par exemple avec un autre véhicule, un piéton ou un cycliste, à la suite de situations d’urgence représentent un pourcentage important des accidents de la route.

Il est connu d’utiliser des systèmes d’aide à la conduite, par exemple, le système de freinage d’urgence automatique dit « automatic emergency braking », d’acronyme « AEB » en termes anglo-saxons, pour éviter la collision entre le véhicule automobile et un obstacle se trouvant sur la voie dudit véhicule, en utilisant le système de freinage conventionnel. Toutefois, de nombreuses situations ne sont pas gérées efficacement par un tel système de freinage d’urgence, notamment lorsque le véhicule automobile roule à une vitesse élevée. En effet, il n’est pas possible d’éviter la collision ou de freiner lorsque le véhicule automobile roule à vitesse élevée et qu’un autre véhicule se trouve à l’arrière dudit véhicule. Dans une telle situation, il est préférable de braquer les roues du véhicule afin d’effectuer une trajectoire d’évitement latéral.

On connait les systèmes d’aide à la conduite dit « automatic evasive steering », d’acronyme « AES » en termes anglo-saxons, qui permet d’éviter les collisions en activant un système de braquage/freinage différentiel pendant une durée limitée afin d’éviter une collision avec un obstacle. L’obstacle peut se trouver sur la même voie que le véhicule automobile ou sur une voie adjacente.

Un des objectifs dans la conception d’un système AES fiable et sécurisant concerne l’élaboration d’un contrôleur performant, optimal et robuste capable de réaliser des trajectoires d’évitement prédéfinies. Dans le cas extrême, il s’agit d’un changement automatique de voie à une vitesse longitudinale pouvant aller jusqu’à 160 km/h.

Les limites de contrôlabilité et de stabilité du véhicule automobile ont un fort impact sur la capacité du contrôleur AES à agir. En effet, le couple demandé par le contrôleur AES à la direction assistée électrique doit être limité en amplitude et en rampe afin qu’un conducteur puisse toujours reprendre en main le contrôle du volant. De plus, la dynamique du véhicule, tel que notamment l’angle de dérive, la vitesse du lacet, doit être limitée pour éviter la perte d’adhérence pneu- sol qui pourrait mettre le conducteur en danger.

Afin de contourner ces limites de contrôlabilité et de stabilité du véhicule automobile, il est connu de mélanger le système de braquage avec le système de freinage différentiel. En effet, le système de braquage est particulièrement efficace à des vitesses moyennes alors que le système de freinage différentiel améliore la dynamique du véhicule à des vitesses élevées. De plus, la combinaison des deux actionneurs garantit une bonne stabilité du véhicule et permet, par exemple, de réduire le glissement pendant la manœuvre d’évitement en virage serré.

Techniques antérieures

On peut se référer, par exemple, au document WO 2007 73 772

- Al qui décrit un système configuré pour contrôler à la fois le système de braquage et de freinage différentiel afin d’éviter le risque de sur virage d’un véhicule. Toutefois, ce document ne propose aucun modèle dynamique du véhicule.

On peut également se référer au document FR 2 695 613 - Al qui décrit un procédé de correction automatique d’amorçage de mouvement de lacet d’un véhicule automobile de type routier en appliquant un couple de freinage sur une ou des roues du véhicule. Ce document ne propose pas de procédé d’évitement d’obstacles.

On connaît également les documents EP 1 790 542 - Al et KR

10 085 1 1 20 qui concerne des procédés d’évitement de sortie de voie basés uniquement sur le système de freinage différentiel des roues. Toutefois, ces documents ne traitent pas le problème de suivi de la trajectoire d’évitement d’obstacles, ni celui de la contrôlabilité et stabilité du véhicule.

Il existe donc un besoin d’optimiser le contrôle simultané des deux systèmes de braquage et de freinage différentiel dans un contexte d’évitement automatique d’obstacles afin de réaliser des trajectoires d’évitement tenant compte des limites de contrôlabilité liées au couple du véhicule et de stabilité du véhicule automobile.

Exposé de l’invention

Le but de l’invention est donc de propose un système et un procédé d’évitement d’obstacles fiable et simple.

La présente invention a pour objet un procédé d’évitement d’obstacles dans lequel :

- on détecte un obstacle à proximité d’un véhicule automobile et on planifie une trajectoire d’évitement dudit obstacle, et

- on commande des systèmes de braquage et/ou de freinage différentiel configuré pour maîtriser la trajectoire d’évitement.

Avantageusement, lors de la commande des systèmes de braquage et/ou de freinage différentiel, on définit une contrainte de contrôlabilité lors de laquelle le couple de braquage est limité en amplitude et en rampe et définit une contrainte de stabilité lors de laquelle le glissement et la vitesse de lacet du véhicule sont bornés.

Par exemple, on vérifie si la contrainte de contrôlabilité est respectée, et si ladite contrainte est respectée, on commande uniquement le braquage des roues.

En effet, dans ce cas, le braquage des roues est suffisant pour réaliser la manœuvre d’évitement une fois que le couple de braquage demandé est borné par les barrières de contrôlabilité. La contribution du freinage différentiel est ici nul.

Si, au contraire, ladite contrainte n’est pas respectée, on commande le système de freinage différentiel.

Par exemple, lorsque le rapport entre l’écart latéral d’évitement et la distance longitudinale d’évitement est trop important.

Le freinage différentiel doit intervenir dans ce cas pour aider au braquage et suivre correctement la trajectoire d’évitement. Sans la contribution du freinage différentiel, la trajectoire réalisée serait erronée et pourrait mettre en danger le véhicule automobile.

Le paramètre a _DB est le seul paramètre à contrôler pour gérer le système de braquage et de freinage différentiel.

On peut, par exemple, émettre les hypothèses suivantes :

- le couple de braquage ne dépasse pas la limite de contrôlabilité en amplitude et en rampe,

- la trajectoire d’évitement est prédéfinie,

- le comportement du freinage différentiel est modélisé par un moment de lacet ; et

- la courbure de la trajectoire est nulle.

Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un module de commande des systèmes de braquage et/ou de freinage différentiel configuré pour émettre une consigne de braquage des roues à un calculateur de braquage des roues d’un véhicule automobile et une consigne de moment de lacet à un calculateur de freinage dudit véhicule automobile.

Avantageusement, le module comprend un contrôleur en boucle fermée pour le système de braquage configuré pour suivre la trajectoire d’évitement de référence et répondant à la contrainte de stabilité du véhicule.

Par exemple, le module comprend en outre un contrôleur feed- forward configuré pour compenser l’effet de la dérivée de la trajectoire sur l’erreur de suivi de trajectoire.

Le module peut également comprendre un contrôleur en boucle fermée pour le système de freinage différentiel configuré pour améliorer la performance de la boucle de braquage, notamment en cas de saturation de couple et la stabilité du véhicule.

Selon un troisième aspect, l’invention concerne un système d’évitement d’obstacles comprenant un module de détection d’un obstacle à proximité d’un véhicule automobile et de planification d’une trajectoire d’évitement dudit obstacle et un module de commande des systèmes de braquage et/ou de freinage différentiel tel que décrit précédemment. Selon un autre aspect, l’invention concerne un véhicule automobile comprenant un système pour repérer le véhicule automobile par rapport à sa voie de circulation, tel que par exemple une caméra frontale, et capable de déterminer l’écart latéral par rapport aux lignes de circulation à une distance de visé et l’angle de cap relatif dudit véhicule, un système de détection des obstacles dans la traj ectoire du véhicule, par exemple un radar frontal, configuré pour déterminer la distance longitudinale et le chevauchement de l’obstacle par rapport audit véhicule, un gyromètre, une direction automatique assistée, un module de commande des systèmes de braquage) et/ou de freinage différentiel tel que décrit précédemment, un calculateur configuré pour transformer la consigne d’angle de braquage dudit module de commande en limite de couple à la direction assistée pour réaliser le braquage, un calculateur configuré pour transformer la consigne de moment de lacet dudit module de commande en couples aux roues pour réaliser le freinage différentiel et un capteur de mesure de l’angle de volant et de sa vitesse.

Brève description des dessins

D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 représente schématiquement une manœuvre d’évitement d’un obstacle par un système d’évitement d’obstacles comprenant un module de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel configuré pour maîtriser la traj ectoire d’évitement selon l’invention ;

- la figure 2 représente schématiquement le système d’évitement d’obstacles de la figure 1 ;

- la figure 3 illustre un organigramme d’un procédé d’évitement d’obstacles mis en œuvre par le système de la figure 1 ;

- la figure 4 illustre en détails l’étape de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel configuré pour maîtriser la trajectoire d’évitement. Sur la figure 1 , on a représenté de manière très schématique une manœuvre d’évitement d’un obstacle par un système 10 d’évitement d’obstacles.

Le système 10 d’évitement d’obstacles comprend un module 12 de détection d’un obstacle 1 à proximité d’un véhicule automobile 2 et de planification d’une trajectoire d’évitement dudit obstacle, un module 14 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel configuré pour maîtriser la trajectoire d’évitement et un module 16 d’arrêt de la commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel dès que le véhicule automobile se trouve à une distance prédéterminée dudit obstacle 1 .

Le véhicule automobile 2 comprend un système pour repérer le véhicule automobile par rapport à sa voie de circulation, tel que par exemple une caméra frontale, et capable de déterminer l’écart latéral par rapport aux lignes de circulation à une distance de visé yL et l’angle de cap relatif dudit véhicule YE. Le véhicule automobile 2 est également doté d’un système de détection des obstacles dans la trajectoire du véhicule, par exemple un radar frontal, configuré pour déterminer la distance longitudinale et le chevauchement de l’obstacle par rapport audit véhicule.

Tel qu’illustré sur la figure 2, le véhicule automobile 2 comprend également un gyromètre (non représenté), une direction automatique assistée DAE capable de réaliser la consigne de couple générée par le module 14 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel, un calculateur 20 configuré pour transformer la consigne d’angle de braquage en limite de couple à la direction assistée DAE pour réaliser le braquage, un bloc de frein BLOC FREIN capable de réaliser la consigne de couple générée par le module 14 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel, un calculateur 22 configuré pour transformer la consigne de moment de lacet en couples aux roues pour réaliser le freinage différentiel et un capteur de mesure de l’angle de volant et de sa vitesse.

Le module 14 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel est configuré pour émettre une consigne ôref de braquage des roues au calculateur 20 de braquage des roues et une consigne MDB Ref de moment de lacet au calculateur 22.

Le module 14 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel comprend un contrôleur 24 en boucle fermée pour le système de braquage configuré pour suivre la trajectoire d’évitement de référence et répondant à la contrainte de stabilité du véhicule.

Le module 14 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel comprend en outre un contrôleur 26 feed- forward configuré pour compenser l’effet de la dérivée de la trajectoire sur l’erreur de suivi de trajectoire.

Enfin, le module 14 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel comprend un contrôleur 28 en boucle fermée pour le système de freinage différentiel configuré pour améliorer la performance de la boucle de braquage, notamment en cas de saturation de couple et la stabilité du véhicule.

Tel qu’illustré sur la figure 3 , le procédé 30 d’évitement d’obstacles comprend une étape 32 de détection d’un obstacle 1 à proximité d’un véhicule automobile 2 et de planification d’une trajectoire d’évitement dudit obstacle, une étape 34 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel configuré pour maîtriser la trajectoire d’évitement et une étape 36 d’arrêt de la commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel dès que le véhicule automobile se trouve à une distance prédéterminée dudit obstacle 1 .

La figure 4 illustre en détails l’étape 34 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel configuré pour maîtriser la trajectoire d’évitement.

Pour modéliser la dynamique du véhicule automobile contrôlé par le système de braque et le système de freinage différentiel, on fait, à l’étape 40, les hypothèses suivantes :

Lorsque le couple de braquage ne dépasse pas la limite de contrôlabilité en amplitude et en rampe, le comportement de la direction assistée est modélisé par l’équation suivante : Avec

[Math 1 ]

Avec :

d, l’angle entre les roues avant et l’axe longitudinal du véhicule, exprimé en rad ;

dref, la consigne d’angle des roues avant, exprimée en rad ; et

x et w, deux constantes représentant les caractéristiques de l’angle réel des roues avant.

On fait également comme hypothèse que la trajectoire d’évitement est prédéfinie, que le comportement du freinage différentiel est modélisé par un moment de lacet. En effet, la réalisation de ce moment de lacet est faite par les blocs de freins contrôlés par un calculateur embarqué dans le véhicule et qui traduit la consigne de moment de lacet en couples de freinage appliqués à chaque roue.

On fait enfin l’hypothèse que la courbure est supposée nulle. Dans le cas où la courbure n’est pas nulle, un contrôleur par

exemple de type feed-forward, peut être facilement calculé pour éliminer l’effet de la courbure sur le suivi de trajectoire.

Si le moment de lacet par un freinage différentiel ne peut pas être estimé, on considère l’équation suivante :

[Math 2]

Avec :

b, l’angle de dérive, exprimé en rad ;

r, la vitesse de lacet, exprimée en rad/s ;

y _L , l’écart latéral entre l’axe du véhicule et la tangente à la trajectoire avant du véhicule, exprimé en m ;

l’angle relatif de cap entre l’axe du véhicule et la tangente à la trajectoire de référence, exprimé en rad/s ; et

d, l’angle entre les roues avant et l’axe longitudinal du véhicule, exprimé en rad ;

c _f , la rigidité de dérive des roues avant, exprimée en N/rad ;

c _r , la rigidité de dérive des roues avant, exprimée en N/rad ;

V, la vitesse du véhicule selon l’axe longitudinal, exprimée en m/s ; MDB r _e f, la consigne de moment de lacet, exprimée en N.m ;

(a _{D B} , l’angle de lacet, exprimé en rad.

Si le moment de lacet par un freinage différentiel peut être estimé, on considère l’équation suivante :

Avec :

le moment de lacet, exprimée en N.m.

La dynamique du système de freinage différentiel s’écrit selon l’équation suivante :

[Math 4]

Avec :

la consigne de moment de lacet, exprimée en N.m ; et

le moment de lacet, exprimée en N.m. Ainsi, on introduit le moment de lacet (rotation) et sa dynamique dans le pilotage du système de freinage différentiel. De plus, l’introduction du paramètre permet de gérer les actions du braquage et du freinage différentiel en même temps. Quand le freinage différentiel n’est pas nécessaire, seul le braquage est suffisant pour faire la trajectoire d’évitement. Quand on pourrait profiter de la capacité totale du freinage différentiel pour aider au braquage à faire un manœuvre d’évitement dynamique. Toutefois, l’utilisation de 100% du freinage différentiel n’est pas toujours nécessaire, c’est le cas où a prend des valeurs comprises entre 0 et 1 .

L’étape 34 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel comprend en outre une étape 42 de définition d’une contrainte de contrôlabilité lors de laquelle le couple TAES est limité en amplitude et en rampe et une étape 44 de définition d’une contrainte de stabilité lors de laquelle le glissement et la vitesse de lacet r du véhicule sont bornés.

L’équation Math 3 se réécrit comme suit :

[Math 5]

[Math 6]

L’équation Math 4 s’écrit sous la forme d’un système de paramètres linéaires variants comme suit :

[Math 7]

Avec :

[Math 8]

L’étape 34 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel comprend en outre une étape 45 de vérification si la contrainte de contrôlabilité n’est pas ou plus respectée et une étape 46 de commande du système de braquage pour les cas où la contrainte de contrôlabilité est respectée. Seul le braquage des roues est suffisant pour réaliser la manœuvre d’évitement une fois que le couple de braquage demandé est borné par les barrières de contrôlabilité. La contribution du freinage différentiel est ici nul.

Dans ce cas, le modèle suivant est considéré pour la synthèse de la loi de commande :

Avec :

L’équation Math 9 peut s’écrire selon l’équation suivante : [Math 10]

Avec :

[Math 1 1 ]

[Math 12]

[Math 13]

[Math 14]

[Math 15] [Math 16]

On peut calculer le gain selon l’équation suivante:

[Math 17]

En remplace à l’Equation Mat 10 pour

obtenir un système en boucle fermée :

[Math 18]

Le feedforward est calculé pour rendre l’erreur à zéro en régime établi (bon suivi de trajectoire en régime établi) :

[Math 19]

En résolvant l’Equation Math 19, on obtient :

[Math 20] L’étape 34 de commande des systèmes de braquage (DAE) et/ou de freinage différentiel comprend en outre une étape 48 de commande du système de freinage différentiel pour les cas où la contrainte de contrôlabilité n’est pas ou plus respectée. Par exemple, lorsque le rapport entre l’écart latéral d’évitement et la distance longitudinale d’évitement est trop important.

Le freinage différentiel doit intervenir dans ce cas pour aider au braquage et suivre correctement la trajectoire d’évitement. Sans la contribution du freinage différentiel, la trajectoire réalisée serait erronée et pourrait mettre en danger le véhicule automobile.

Le paramètre a _DB est le seul paramètre à contrôler pour gérer le système de braquage et de freinage différentiel.

Le paramètre a _DB est calculé selon l’équation suivante :

[Math 21 ]

est calculé comme suit :

[Math 22]

Avec sont des paramètres de pondération (à choisir

pendant la phase de la mise au point). Par exemple, si la

saturation en rampe a plus de poids par rapport à la saturation en amplitude à la demande de freinage différentiel, et inversement.

Finalement, la fonction f est choisie comme une fonction d’activation de type sigmoïde :

[Math 23] sont deux paramètres à choisir lors la mise au point sur véhicule pour avoir des comportements du véhicule souhaités. Avec

le freinage différentiel réagit moins vite (à la saturation du braquage par la contrainte de contrôlabilité) qu’avec En supposant que :

[Math24]

et

avec le fait que le gain feed-forward peut éliminer l’impact de sur l’erreur de suivi de trajectoire en régime établi, l’équation [Math 7] s’écrit : [Math7bis]

Le dernier objectif est de trouver la loi de commande de retour d’état statique suivante :

[Math25]

Pour ce faire, on considère le système générique suivant :

[Math26]

Avec :

x _s est le vecteur d’état ;

u _s est l’entrée de commande ;

A _s et B _s sont des matrices de dimensions appropriées ; et

q, le vecteur de paramètres exogènes connus et bornés dans un polytope

d’extrémités.

[Math27]

Considérons un contrôleur basé sur le retour d’état statique de la forme :

[Math28]

Quelques états doivent être bornés. Cette condition est représentée par les équations suivantes :

Avec :

est le nombre d’état borné, est un constant positif et connu, est un vecteur qui sélecte l’état considéré.

Ce critère est utilisé pour garantir la stabilité du véhicule pendant un manœuvre d’urgence (dynamique). La contrainte de stabilité est garantie en appliquant les inégalités suivantes :

[Math30]

[Math3 1 ]

Les pôles du système en boucle fermés doivent être bornés dans une zone définie par un rayon g, une distance minimale par rapport à l’axe imaginaire m, un angle d’ouverture f. Ce critère est utilisé pour avoir les consignes de commande raisonnables et réalisable par les actionneurs.

Pour répondre au critère sur les états bornés, les conditions suivantes doivent être satisfaites.

[Math32]

Pour répondre au critère sur les pôles de la boucle fermée, les conditions de LMI suivantes doivent être satisfaites : [Math33] [Math34]

Dans les équations ci-dessus, A _k est la matrice A _s (q) calculée à l’extrémité k-ième du polytope X _q .

Une fois que les équations 3 1 à 35 sont résolues, on obtient la valeur du vecteur de retour d’état statique K à appliquer dans la loi de commande des systèmes de braquage et de freinage différentiel.

Grâce à l’invention, le calcul automatique des gains K des contrôleurs permet de réduire le temps de conception du procédé de commande des systèmes de braquage et freinage. Le procédé de commande de braquage et de freinage différentiel en deux étapes permet la traçabilité et donc facilite la mise au point. En effet, l’étape de commande du braquage est réalisée pour répondre à un besoin pour les cas nominaux. Et l’étape de commande du freinage différentiel est réalisée pour les cas particuliers (saturation des couples, etc.).

De plus, la gestion des systèmes de braquage et de freinage différentiel tout en respectant la contrainte de contrôlabilité et de stabilité est simple avec l’utilisation d’un seul paramètre a _DB .

Tout au long de la présente demande la courbure correspond de manière évidente à la courbure de la route, l’invention permettant de s’appliquer quelle que soit la courbure et quand la courbure n’est pas nulle le contrôleur par exemple de type feed-forward, permet d’éliminer

l’effet de la courbure sur le suivi de trajectoire.