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Capteur logiciel : le défi de la mécatronique

De plus en plus d’industriels se tournent vers de nouveaux moyens de déterminer une grandeur physique (pression, inclinaison, température…) sans utiliser de capteur. La solution, ce sont les capteurs logiciels. La problématique : comment déterminer une grandeur physique sans la mesurer ?

Plan :

 

1. Un capteur logiciel c'est quoi ?

Un capteur est un dispositif qui transforme l’état d’une grandeur physique observée en une grandeur utilisable. Par exemple, un capteur transforme la mesure de la vitesse d’une voiture en un affichage sur le tableau de bord à destination du conducteur.

Il existe deux types de capteurs :

  • capteur physique : appareil matériel qui mesure une grandeur physique, par exemple :
    • capteur de pression : baromètre,
    • capteur de vitesse : tachymètre,
    • capteur de température : thermomètre…
  • capteur logiciel : parfois appelé « observateur », il permet d’estimer une grandeur non directement mesurée en utilisant :
    • des grandeurs mesurables à faible coût,
    • un modèle dynamique du système observé,
    • et la théorie des observateurs (filtre de Kalman…)

Pour résumer, le capteur logiciel est un programme qui estime une grandeur physique sans la mesurer directement. Il utilise pour cela les informations d’autres capteurs physiques.

 

2. Comment ça fonctionne ?
 

Schéma de fonctionnement Légende

Système physique : voiture, roue, moteur…

Entrées connues : vitesse, température…

Mesures : vitesse en km/h, température en °C…

Perturbations : environnement…

Grandeurs à estimer : pression des pneus…

 

Modèle mathématique : représentation mathématique du système

Calage : ajustement du modèle mathématique entre les résultats réels et les résultats calculés pour prendre en compte les perturbations

Grandeurs estimées : pression en bar…


Exemples concrets d'utilisations :

Estimation des efforts entre un pneumatique et la route :

  • Utilité : contrôle de trajectoire (ESP, ABS…)
  • Capteur physique : existe, mais est onéreux (le coût d’une roue dynamométrique est supérieur à 100 k€)
  • Capteur logiciel : utilise d’autres mesures plus accessibles (déformation du pneu, vitesse, vibrations…).

Estimation de la pression dans un pneumatique :

  • Utilité : détection de crevaison, sous-gonflage…
  • Capteur matériel : capteur de pression classique (un par pneu)
  • Capteur logiciel : utilise la mesure de déformation du pneu (écrasement…) ou des différentiels de vitesse entre roues.

Les principales raisons qui tendent à développer cette technologique sont principalement économiques. En effet, le capteur logiciel est un programme informatique. Il n’a donc pas de coût de duplication ni de fabrication (matériel). Le coût qui lui est associé résulte du développement du programme qui n’est réalisé qu’une seule fois. C’est donc une solution très intéressante face aux capteurs physiques.

 

3. L’anti-pincement : du capteur physique au capteur logiciel


3.1 Contexte et principe de l’anti-pincement

De nos jours, de plus en plus d’ouvrants motorisés voient le jour sur les véhicules : lève-vitre, toit ouvrant, porte latérale coulissante, coffre… Afin de garantir la sécurité des personnes, des normes d’anti-pincement ont été créées et sont devenues obligatoires. Deux modes de détection ont donc été développés par les industriels :

  • Détection directe : très fiable, mais assez coûteuse
  • Détection indirecte par observation de la vitesse : assez répandue, mais difficile à calibrer et réagit quelquefois « trop tard ».

L’anti-pincement est de plus en plus réglementé pour les systèmes avec fermeture électromécanique, que ce soit les fenêtres, les portes de garage ou de voiture… Par exemple, la norme européenne pour les vitres électriques exige un système d’anti-pincement entre 100 et 125 N, soit entre 10 et 12 kg. C’est une des problématiques qui est rencontrée dans le monde de l’industrie et des constructeurs automobiles.


3.2 L’anti-pincement par capteur physique

Afin de respecter ces normes, les constructeurs automobiles utilisent des systèmes parfois complexes à base de capteurs physiques. À grande échelle, c’est un coût non négligeable. Actuellement, les systèmes existants sont :

  • parois en caoutchouc avec capteur capacitifs ou résistifs (voir photo, porte de rame de métro),
  • détecteur d’obstacle (radar de recul).


3.3 L’anti-pincement par capteur logiciel

Le capteur logiciel intervient comme solution de remplacement aux capteurs physiques. Il s’agit d’être aussi précis, sinon plus, qu’avec un capteur physique afin de déterminer très rapidement la présence d’un obstacle et de réagir en conséquence (reculer par exemple). Une solution pour un système motorisé (vitre, porte…) peut consister à mesurer la vitesse de fermeture et de la comparer à la vitesse « normale » (attendue). Si on détecte un écart important, on peut en déduire qu’il y a un obstacle sur la trajectoire de fermeture. Le système s’arrête alors puis fait marche-arrière. Cet écart de vitesse est lié à la pression exercée par l’obstacle sur la porte. L’effort maximum autorisé conditionne l’écart de vitesse à partir duquel il faudra réagir.

 

4. Capteur logiciel d’effort de pincement

Acsystème a assisté l’équipe de R&D d’un constructeur automobile afin de concevoir une porte latérale coulissante motorisée (PLCM) avec un système innovant d’anti-pincement basé sur un capteur logiciel d’effort résistant. Le principe consiste à évaluer en temps réel l’effort résistant s’opposant au déplacement de l’ouvrant à partir des mesures disponibles sur le système : capteurs à effet Hall, mesure de tension et, éventuellement, de courant. L’analyse de l’effort résistant estimé permet alors de prendre une décision quant à la présence ou non d’un obstacle.

La prestation effectuée s’est déroulée en plusieurs étapes :

  • Dans un premier temps, l’équipe a modélisé et simulé sur ordinateur le moyen ouvrant et son contrôle-commande. Durant cette période, nous avons simulé différentes solutions pour remplacer les capteurs matériels par des capteurs logiciels.
  • Nous avons participé ensuite avec l’équipe de R&D à la mise au point du banc d’essai complet (voir photo). Ce banc a permis d’optimiser le contrôle-commande pour des situations réelles et de le valider sur des scénarios représentatifs des conditions d’utilisation.
  • La mesure d’effort déterminée par le capteur logiciel est validée durant toute la période de test grâce à un capteur d’effort matériel (voir photo).

L’étude a permis de mettre au point un capteur logiciel performant, répondant plus rapidement que les capteurs logiciels basés uniquement sur l’observation de la vitesse de l’ouvrant.

Au cours des sept mois d’études, Acsystème a participé à la rédaction de deux brevets avec le constructeur.

 

5. Autres références en capteurs logiciels

Quelques références d’Acsystème dans le domaine des capteurs logiciels :

  • détection automatique de la position des pneus (pour savoir quel capteur est monté sur quel pneu),
  • estimation de la pression des pneus sur différentes applications (voiture, remorque de poids lourd…),
  • estimation de l’effort de pincement sur occulteur de toit,
  • estimation précise de l’immersion d’un robot sous-marin…

 


Le projet de capteur logiciel d’effort de pincement a été réalisé sous Matlab, Simulink, Stateflow, Real-Time Workshop et Stateflow Coder

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