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Etude et choix des capteurs pour le contrôle du comportement de la monoplace

Préambule


  • Objectif :

Avoir un retour d’information fiable des principaux organes de la monoplace (pneus, moteur, pédales…) en installant des capteurs sur le faisceau électrique de cette dernière.


  • Enjeux :

Être informé du comportement mécanique et électrique pour simplifier la détection des défaillances et améliorations possibles, afin d’assurer une maintenance efficace de la monoplace.


  • Contraintes :

Le règlement de la Formula Student n’impose aucune règle concernant les capteurs surveillant le comportement de la monoplace à intégrer.



Quels capteurs ?


  • Capteurs de température des pneus


Selon leur conception, les pneus sont différents et leur montée en température l’est aussi. Plus un pneu est chaud, plus il adhère sur la route. L’installation de capteur informera le pilote du niveau de température. Cela lui permettra d’adapter son comportement sur la piste. Plus les pneus adhèrent, plus le pilote peu pousser les performances du véhicule.




  • Capteurs de température des disques de frein (même que pour les pneus)

Les freins sont très sollicités en course. Le frottement, provoqué par l'appui du pilote sur la pédale de frein, entre les disques et les plaquettes provoque une montée en température importante en fonction de la vitesse des disques et de la pression des plaquettes. Il n’est pas rare qu’une surchauffe arrive ; c’est alors que le freinage devient inefficace. Pour être au courant de ce type de problème, des capteurs vont mesurer la température des quatre disques de frein. Par la suite, le pilote sera en capacité d'adapter son pilotage, le temps que les freins refroidissent.


  • Capteurs de vitesse des roues arrières

La transmission du mouvement de rotation des roues se fait par l’arrière. Nous connaissons la vitesse de rotation du moteur grâce à un capteur interne à celui-ci. Cependant, pour déterminer la vitesse de la monoplace, nous avons besoin d’ajouter deux capteurs de vitesse au niveau des deux roues arrières.


  • Pourquoi deux capteurs ?

Sur notre transmission, nous avons un différentiel qui permet aux roues arrières de ne pas tourner à la même vitesse pour éviter les dérapages. Etant donné que les roues auront une vitesse de rotation différente par moment, nous ne pouvons pas effectuer la mesure sur une seule des deux roues. C’est pour cette raison que nous installeront deux capteurs. Ensuite, une moyenne sera calculée d’après les deux mesures reçues. Enfin, nous avons besoin de capteur de vitesse afin de pouvoir déterminer le rapport engagé. En effet, nous aurons deux mesures de vitesse : une en sortie du moteur, et l’autre, la moyenne de la vitesse des roues arrière. En utilisant les données théoriques de la vitesse du véhicule en fonction du régime (fournies par le constructeur du moteur), nous pourrons déterminer le rapport engagé.


  • Potentiomètres linéaires aux suspensions


Les suspensions peuvent absorber les chocs rencontrés pendant le pilotage. Elles ont une course linéaire qui varie selon leur pression interne. Pour connaître cette course, des potentiomètres linéaires seront installés sur chacune des quatre suspensions. Ainsi, nous pourrons connaître le comportement dynamique du véhicule. Enfin, ces potentiomètres permettront aussi de détecter d’éventuelle fuite ou baisse de pression dans le circuit pneumatique.


  • Capteur de pression de frein


La pédale de frein contrôle la pression dans le circuit de freinage. Le capteur de pression de frein sera principalement utilisé par la carte BSPD (Brake System Plausibility Device). Ce système doit couper l’alimentation électrique de l’ensemble du circuit si la pédale de frein et d’accélération sont actionnées en même temps. Il est donc nécessaire d’avoir ce type de capteur. Enfin, le fait d’avoir un retour d’information de la pression dans le circuit de freinage permettra de déterminer la position de la pédale.




  • Potentiomètre linéaire à l’accélérateur (même que pour les suspensions)

La pédale d’accélération contrôle l’angle d’ouverture du papillon d'admission. Plus l’angle d’ouverture augmente, plus on accélère. Comme expliqué précédemment, ce potentiomètre servira de retour d’information à la carte BSPD. De plus, il sera possible de connaître la position de la pédale.



Quels sont les technologies choisies ? :


  • Les capteurs de températures (pneus ou disques de frein) utilisent une technologie infrarouge.

Pour mesurer la température d’un corps, le système capte le rayonnement infrarouge [1] émis par ce dernier. D’après le schéma ci-dessus, le capteur peut mesurer ce rayonnement avec un éloignement de la cible allant jusqu'à 5cm. Pour que la mesure soit fiable, la lentille du capteur doit être propre, sinon, la mesure sera parasitée par la saleté. Les capteurs utilisés pour les pneus seront différents de ceux utilisés pour les disques de freins. En effet, même si la technologie reste la même, la plage de température mesurable sera différente.



Le tableau ci-dessous montre la gamme de température en fonction de l’application :


  • Le capteur de vitesse est un capteur à effet Hall [2]. Ce dernier détecte le champ magnétique.

Lorsque l’on approche un conducteur ferromagnétique, le capteur envoie un signal TOR (Tout Ou Rien). Si la sortie est à l’état HAUT, alors il y a détection. Ce capteur sera placé (comme le schéma ci-contre l’indique) devant une roue dentée qui partage le même axe de rotation que les roues arrières. Le capteur devra être placé de sorte qu’il puisse détecter une des dents lorsqu'elle se présente face à lui. A l’inverse, lorsqu'aucune dent ne sera devant le capteur, celui-ci ne devra rien détecter. C’est un réglage de quelque millimètre qu’il faudrait faire. La distance entre la roue dentée et le capteur sera d’environ 1cm.

Au moment de la rotation de la roue, le calculateur devra déterminer la fréquence d’apparition d’un état haut (sous entendu : le capteur voit une dent).




On peut reconnaître l'empreinte de la roue dentée sur le graphique ci-dessus. Un état haut représente la détection d’une dent. On reconnait ici un signal PWM (Pulse With Modulation) qui est le résultat de l’association de toutes les mesures faites par le capteur. Comme tout signal PWM, on peut retrouver la fréquence et ainsi l’utiliser pour déterminer la vitesse de rotation de la roue.

Puis, grâce à la fréquence, le nombre de dent de la roue dentée et le diamètre de la roue (ensemble pneu + jante), nous pourrons déterminer la vitesse (en km/h, en tr/min ou en m/s).


  • Le potentiomètre linéaire (utilisé sur les suspensions et la pédale d’accélération)

C'est une résistance variable dont la position sur un l’axe linéaire, allant de 0 à 125mm pour ce modèle, renvoie une tension de 0 à 5V. L’échelle de conversion est elle aussi linéaire, ce qui signifie que :

  • La position de l’axe à 0mm renvoie 0V

  • La position de l’axe à 125mm renvoie 5V



Le schéma ci-dessus montre le fonctionnement d’un potentiomètre. Une alimentation en +5V sur la broche 3(+) et la masse (+0V) sur la broche 1(-) permet un fonctionnement de 0 à 5V. Le résultat de la mesure sort sur la broche 2. Cette mesure est la tension directement associée à la position du potentiomètre (flèche).


Bibliographie :

[1] https://www.optris.fr/thermometrie-infrarouge

[2] https://www.mga-technologies.fr/capteur-effet-hall/


Article écrit par notre responsable électronique : Maxime Villette.


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