Nouveau moyen de mesure précise de l'angle de dérive des pneumatiques : application à l'identification de modèles de pneumatique

Le trafic routier devenant de plus en plus dense, la sécurité active des véhicules doit être sans cesse améliorée. Ceci nécessite notamment une amélioration de la dynamique des véhicules. La majeure partie des efforts transmis par la chaussée au véhicule passant par les pneumatiques, une connaissance précise de l’interface pneu-sol est primordiale. Ceci passe notamment par le développement de modèles de pneumatiques et leur identification, à partir de mesures spécifiques, lors des phases de conception et de mise au point d’un véhicule. Le projet de thèse a pour objectif principal de contribuer à une meilleure détermination du point de fonctionnement dynamique de l’ensemble pneumatique/roue. Plus précisément, il s’agit d’améliorer la détermination de l’angle de dérive du pneumatique, dont la précision est encore aujourd’hui insuffisante pour une analyse des performances des pneumatiques à partir d’essais sur piste. Cette détermination est réalisée simultanément à la détermination des autres grandeurs nécessaires à l’étude de l’interface roue-sol : glissement longitudinal du pneumatique, angle de carrossage de la roue et torseur des efforts roue-sol. Ce projet s’est appuyé sur la collaboration entre la Direction de la Recherche de Renault et le laboratoire MIPS de l’Université de Haute-Alsace. Des études préliminaires menées par Renault et par le MIPS sur ce sujet ont servi de support à ce projet.Une étude menée en début de thèse a permis de rédiger un cahier des charges exhaustif, en termes de performances de mesure de l’angle de dérive du pneumatique, permettant d’étudier avec suffisamment de précision la dynamique du véhicule, en se basant sur indicateurs de performance. Afin de répondre au cahier des charges, une solution de mesure novatrice de l’angle de dérive du pneu a été conçue et développée au cours de la thèse. Celle-ci se base sur l’intégration de mesures inertielles et GPS au niveau du plan de jante, à l’aide d’un filtre de Kalman étendu (EKF). Par la suite, un capteur de mesure (INS/GPS) dédié a été conçu, développé et enfin intégré à un véhicule d’essais. Les performances de mesure du nouveau capteur INS/GPS ont été validées vis-à-vis du cahier des charges, en suivant une procédure de caractérisation mise au point spécifiquement durant la thèse. L’angle de dérive pneu est ainsi mesuré avec une précision de 0,1° (à 3o) sur une plage de 360°, tout en étant insensible à la texture et à la granularité de la chaussée ; contrairement aux solutions industrielles existantes. Lorsque ce moyen de mesure novateur est couplé à d’autres mesures standard de la dynamique du véhicule, le mouvement complet du plan de jante est alors déterminé également avec la précision requise. Ceci en ajoutant uniquement un capteur au niveau du plan de jante, ce qui permet de limiter l’inertie ajoutée à la roue, en comparaison aux moyens de mesures existants.Pour valider le nouveau moyen de mesure développé et montrer tout son intérêt, une méthodologie d’identification d’un modèle de pneumatique (Magic Formula 5.2) a été proposée et validée expérimentalement. Un algorithme d’optimisation Simplex a été développé afin de pouvoir identifier un modèle de pneu, aussi bien à partir de mesures (sur piste ou sur banc de test) qu’à partir de données de simulation. Ainsi, les paramètres du modèle de pneumatique peuvent être optimisés durant la phase de conception d’un véhicule, afin de répondre à des indicateurs de performance du véhicule bien définis. Aujourd’hui, les mesures précises du capteur INS/GPS, conjuguées à l’algorithme d’optimisation développé, sont notamment utilisées pour identifier des modèles de pneu à partir de mesure sur piste, et pour définir les paramètres du modèle de pneu nécessaires, en phase de conception de véhicule. […]The road traffic becomes more and more dense so that the active safety of road vehicles must continuously improved. This especially requires the improvement of the vehicle dynamics. The major part of the forces applied by the road to the vehicle are issued of the tyres. So, an accurate knowledge of the tyre-road interaction is primordial. This especially requires the development of the modelling and the identification of tyre models in the phases of design and tuning of a vehicle. The main goal of the thesis project is the contribution to a better determination of the dynamic functioning point of the system tyre/wheel. More accurately, is aims at improving the tyre slip angle determination accuracy, which is still insufficient for the analysis of tyre performance from vehicle-on-track tests. This determination is performed simultaneously to the determination of the other variables required in study of the tyre-road interface: longitudinal slip ratio, camber angle, tyre forces and moments. This project has been made in collaboration with the Research Department of Renault and the MIPS laboratory of the University of Haute-Alsace. Preliminary studies carried out by Renault and MIPS on this topic have served as a support to this project. A study carried out at the beginning of the thesis has helped to the determination of exhaustive requirements, in terms of tyre slip angle measurement performance, allowing the study of the vehicle dynamics with a sufficient accuracy, using performance indicators. A novel tyre slip angle measurement means has been developed in the thesis, in order to fit these requirements. It is based on the combination of inertial and GPS data near the wheel rim edge plane, using a extended Kalman filter (EKF). A dedicated measurement sensor (INS/GPS) has then be designed, developed and embedded in a test vehicle. The measurement performance of the novel INS/GPS has been validated according to the requirements, following a characterization procedure which has been specifically designed in the thesis. The tyre slip angle is then measured with an accuracy of 0.1° (at 3σ) in a range of 360°, with a insensitivity to the texture and the granularity of the road, contrary to the existing industrial solutions. When this novel measurement means is coupled with other standard measurements in vehicle dynamics, the whole motion of the wheel rim is then also determined with the required accuracy. This is made possible by mounting only one sensor at the level of the wheel rim edge plan, which helps to limit the inertia added to the wheel, in comparison with the existing measuring systems.A strategy of identification of a tyre model (Magic Formula 5.2) has been proposed and validated experimentally, in order to validate the novel measurement means developed. A Simplex optimization algorithm has been developed for the identification of a tyre model, from measurements (on a track or on a test rig) and/or simulation data. So, the tyre model parameters can be optimized in the phase of vehicle design, in order to fit well know vehicle performance indicators. The accurate INS/GPS measurements, combined with the optimization algorithm, are now especially used for the identification of tyre models from vehicle-on-track measurements and for the determination of the tyre model parameters required in the design phase. The novel INS/GPS is also considered as a reference for the tyre slip angle measurement, whatever the road grip (dry, wet, snow covered, ice covered ...). A number of research collaborations, especially with a worldwide tyre manufacturer, are been launched following the thesis results, especially for the study of the correlation between the physical tyre properties and the vehicle dynamics