Véhicule à commande logicielle
Introduction
Cette page a pout but de décrire une dispositif permettant de piloter le moteur et les freins d'un véhcule, non par un système analogique de type pédale, mais au moyen d'un commande digitale et d'un logiciel.
Composants
Les composants du véhicule sont:
moteur
frein
dispositif de commande
logiciel de contrôle
Variables
La description dynamiquue du véhicule se fait à travers une série de variables.
C(t) : accélération de commande.
Commande définie par le conducteur du véhicule, qui se traduit par un accroissement (C(t)>0) ou un décroissement de vitesse (C(t)<0). Si C(t)=0 le conducteur souhaite maintenir une vitesse stable. Cetta accélération est ici exprimée en accélération de rotation de l'axe du train roulant.
L'accélération effective du véhicule a(t), en admettant que le moteur et les freins sont pilotés de manière adéquate, est alors donnée, pour un véhicule équippé de roues de rayon R et de périmètre P par
C= C(t)
a = a(t) = V' = dV/dt
P = 2 π R
a = P C = 2 π R C
Vr(t) : vitesse de rotation de l'axe du train roulant.
Il s'agit d'une vitesse angulaire.
La vitesse effective du véhicule est alors donnée par
V = P Vr
L'accélération commandée est la dérivée de cette vitesse.
C = Vr'
F(t) : frottement
La vitesse du véhicule est influencée par des effets extérieurs.
Cette incidence est ici exprimée en accélération/décélarion angulaire affectant la rotation de l'axe du train de roulement.
Les effets extérieurs sont d'une part les forces de frottement et d'autre part l'incidence du terrain: côte, pente ou terrain plat.
La puissance dissipée par frottement est représentée par une quantité F(t) toujours négative.
Cette puissance dépend de la vitesse (avec des effets linéaires et quadratiques mais ce n'est pas important ici).
F= F(t) = F(v(t))
F(t) < 0
Puissance délivrée par le binôme moteur/frein
Les dispositifs de propulsion et de freinage délivrent ou absorbent de la puissance.
Cette puissance est ici notée W(t).
Lorsque le moteur délivre de la puissance W(t) > 0.
Lorsque les freins absorbent de la puissance W(t) < 0.
Lorsque freins et moteurs sont inactifs, W(t) = 0.
Equation générale
L'équation générale de conservation d'énergie est ici:
E = M V2 /2 + M g h
d/dt(E) = W +F
d/dt ( M V2 / 2 + M g h ) = W + F
M : masse du véhicule
g : constante de gravitation
h : altitude
Elle exprime que la variation des énergies cinétiques et potentielles sont égales aux apports et pertes dues au moteur, aux freins, et aux forces de frottement.
Contrôle de W(t)
Il s'agit de satisfaire la commande du conducteur C(t) et d'obtenir l'accélération a(t) correspondante.
a = V'
W = M V a + M g V sin(alpha) - F
W = M V P C + M g V sin(alpha) - F
Un véhicule à commande logicielle doit implémenter cette fonction dans son logiciel.
En pratique la commande d'un tel véhicule peut se ramener à un petit levier ramené par ressort à un point neutre.
Tiré vers l'arrière, il 'tire' une accélération. Poussé vers l'avant, il induit un freinage.
Comme il est impossible de mesurer F(t) de manière précise, le valeur de W(t) est pilotée/ajustée par une boucle de régulation.
Cette boucle de régulation implique une estimation en temps réel de F(t).
L'équation ci-dessus peut être interprétée simplement comme ceci: l'énergie que doit délivrer le moteur doit contribuer à l'accélération commandée par le conducteur, tout en compensant les effets dues aux côtes, aux pentes, et aux effets de frottement.
Analyse énergétique.
Il est important de réaliser que les freins classiques jouent un rôle essentiel dans le rendement énergétique du véhicule.
Lorsque le moteur délivre de la puissance, il s'agit essentiellement de converison d'énergie: l'énergie passe d'une forme (carburant - énergie fossile - pour les véhicules thermiques, batteries - énergie chimique - pour les céhicules électriques) à une autre forme, qui est essentiellement de l'énergie cinétique. Cette énergie cinétique est utile (le but du véhicule est de se déplacer et elle est encore convertible (par exemple en énergie potentielle).
Au contraire, lorque les freins absorbent de la puissance, l'essentiel de cette puissance est convertie en énergie thermique - eb chaleur - inexploitable. Le fonctionnement des freins est toujours le reflet d'un gaspillage énergétique.