Automobile et mécatronique : l’histoire d’une évolution parallèle

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L’histoire de la mécatronique moderne peut être illustrée en prenant l’exemple de l’automobile. Jusqu’aux années 1960, la radio constituait le seul élément électronique notoire à bord d’une automobile. Toutes les autres fonctions étaient entièrement mécaniques ou électriques, comme le démarreur et le système de charge de la batterie. Il n’existait aucun « système de sécurité intelligent », les éléments structurels et les pare-chocs étaient simplement renforcés pour protéger les occupants en cas d’accident. Les ceintures de sécurité, introduites au début des années 1960, avaient pour objectif l’amélioration de la sécurité des occupants et étaient entièrement actionnées par des moyens mécaniques. Le conducteur ou d’autres systèmes de contrôle mécaniques contrôlaient tous les systèmes du moteur. Par exemple, avant l’avènement des capteurs et des microcontrôleurs, la sélection de la bougie spécifique à allumer après compression du mélange air-carburant s’effectuait par un distributeur mécanique. Le calage de l’allumage constituait la variable de contrôle. En ce qui concerne le rendement du carburant, la commande mécanique du processus de combustion n’était pas optimale. La modélisation du processus de combustion a montré que, pour accroître l’efficacité énergétique, il existe un moment optimal où enflammer le carburant. Le calage dépend de la charge, de la vitesse et d’autres grandeurs mesurables. Le système d’allumage électronique a été l’un des premiers systèmes mécatroniques à arriver dans l’automobile à la fin des années 1970. Il se compose de capteurs de position du vilebrequin, de position de l’arbre à cames, de débit d’air, de position du papillon, de la fréquence de modification de position du papillon et d’un microcontrôleur dédié qui détermine le calage de l’allumage des bougies. Les premières mises en œuvre impliquaient uniquement un capteur à effet Hall pour détecter avec précision la position du rotor dans le distributeur. Les applications qui ont suivi ont complètement éliminé le distributeur. Elles contrôlaient directement l’allumage grâce à un microprocesseur.

Le système d’anti-blocage des roues (ABS) a également été introduit à la fin des années 1970 dans les voitures. L’ABS fonctionne par détection du blocage de l’une des roues, puis par modulation de la pression hydraulique selon les besoins pour réduire ou supprimer le patinage. Le système de contrôle de traction (TCS) est rentré dans les automobiles au milieu des années 1990. Le TCS fonctionne par détection du patinage à l’accélération, puis par modulation de la puissance de la roue qui patine. Ce processus garantit que le véhicule accélère au maximum dans des conditions données de chaussée et de véhicule. L’installation du système de contrôle de la dynamique des véhicules (VDC) dans les automobiles s’est produite à la fin des années 1990. Le VDC fonctionne comme le TCS et comprend en outre un capteur de vitesse angulaire de lacet et un accéléromètre latéral. La position du volant détermine l’intention du conducteur qui est comparée à la direction effective du déplacement. Le système TCS est alors activé pour contrôler la puissance appliquée aux roues et la vitesse du véhicule ainsi que pour réduire au minimum l’écart entre les directions du volant et du déplacement du véhicule. Dans certains cas, l’ABS est utilisé pour ralentir le véhicule afin d’obtenir la régulation souhaitée. Dans les automobiles actuelles, en général, on utilise des processeurs 8, 16 ou 32 bits pour mettre en œuvre les différents systèmes de contrôle. Le microcontrôleur intègre de la mémoire embarquée (EEPROM/EPROM), des entrées analogiques et numériques, des convertisseurs A/N, une modulation de la largeur d’impulsion (PWM), des fonctions de chronomètre, telles que le comptage d’événements et la mesure de la largeur d’impulsion, des entrées priorisées et dans certains cas, un traitement numérique du signal. Le processeur 32 bits est utilisé pour la gestion du moteur, le contrôle de la transmission et des airbags ; le processeur 16 bits sert à gérer l’ABS, le TCS, le VDC, le groupe d’instrumentation et les systèmes de climatisation ; le processeur 8 bits est employé pour le siège, le réglage des rétroviseurs et les systèmes de levage des vitres. Aujourd’hui, une voiture comprend environ 30 à 60 microcontrôleurs. Ce chiffre devrait augmenter avec la tendance au développement de sous-systèmes mécatroniques plug-and-play modulaires.

La mécatronique est devenue nécessaire pour différencier les automobiles. Puisque les bases du moteur à combustion interne ont été élaborées il y a près d’un siècle, les diverses conceptions de moteur des nombreux modèles d’automobile ne permettent plus de distinguer les produits. Dans les années 1970, les constructeurs automobiles japonais ont réussi à prendre position sur le marché américain en proposant des voitures compactes de qualité inégalée et économes en carburant. Tout au long des années 1980, la qualité du véhicule a constitué le facteur de différenciation. Dans les années 1990, les consommateurs en sont venus à attendre qualité et fiabilité des automobiles de toutes marques. Aujourd’hui, les fonctionnalités mécatroniques sont devenues le facteur de différenciation dans ces systèmes traditionnellement mécaniques. Ce phénomène est encore accentué par le ratio performances/prix plus élevé en électronique, la demande du marché pour des produits innovants dotés de fonctions intelligentes et la tendance à la réduction des coûts de fabrication des produits existants par le biais d’une nouvelle conception intégrant des éléments de mécatronique. Avec des perspectives de croissance faible à un seul chiffre (2 à 3 %), les constructeurs automobiles vont rechercher des fonctionnalités de haute technologie qui permettent de démarquer leurs véhicules des autres. Le marché de l’électronique automobile en Amérique du Nord, qui atteint actuellement environ 20 milliards de dollars, devrait atteindre 28 milliards de dollars en 2004. Dans le monde de l’automobile, les nouvelles applications des systèmes mécatroniques incluent des automobiles semi- à entièrement autonomes, des améliorations de la sécurité, une réduction des émissions et d’autres fonctionnalités comme la régulation de vitesse intelligente et le freinage tout-électrique. La mise en réseau sans fil des automobiles dans des stations terrestres et la communication entre véhicules sont d’autres domaines en forte croissance susceptibles de bénéficier d’une approche de conception mécatronique. La télématique, qui allie l’audio, la téléphonie portable mains-libres, la navigation, la connectivité Internet, l’e-mailing et la reconnaissance vocale, est certainement le domaine où la croissance potentielle se révèle la plus élevées pour l’automobile. En réalité, la part de l’électronique dans l’automobile devrait augmenter à un taux annuel de 6 % par an au cours des cinq prochaines années, et le nombre de fonctionnalités électroniques doublera au cours de cette période.

En ce qui concerne les applications de mécatronique, les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) constituent une technologie habilitante pour le développement de capteurs et d’actionneurs peu coûteux. Déjà, plusieurs dispositifs MEMS sont utilisés dans les automobiles, comme des capteurs et des actionneurs pour le déploiement des airbags et des capteurs de pression d’admission. L’intégration de dispositifs MEMS avec des circuits CMOS de conditionnement du signal sur le même circuit intégré est un autre exemple de développement de technologies habilitantes qui permettront d’améliorer les produits mécatroniques comme l’automobile.
Dans ce domaine, le radar à ondes millimétriques a récemment trouvé des applications. Il détecte l’emplacement d’objets (d’autres véhicules) dans le paysage, la distance de l’obstacle et la vitesse en temps réel. Suzuki et al. propose une description détaillée d’un tel système fonctionnel. La Figure 1 illustre la capacité de détection de véhicules grâce à un radar à ondes millimétriques. Cette technologie permet de contrôler la distance entre le véhicule et un obstacle (ou un autre véhicule) en intégrant le capteur avec le régulateur de vitesse et l’ABS. Le conducteur peut régler la vitesse et la distance souhaitée entre sa voiture et celle de devant. L’ABS et le système de régulation de vitesse sont couplés pour obtenir cette capacité remarquable en toute sécurité. La suite logique de cette capacité d’évitement d’obstacle est la conduite semi-autonome à faible vitesse, où le véhicule maintient une distance constante avec celui qui le précède en condition de circulation dense. Dans les 20 prochaines années, l’objet du développement de la mécatronique sera la conception de véhicules complètement autonomes. Des investigations complémentaires sont en cours dans nombreux centres de recherche sur le développement de voitures semi-autonomes avec planification réactionnelle du trajet à l’aide de mises à jour en continu du modèle de circulation basées sur le GPS et sur l’automatisation de l’arrêt et du démarrage. Un projet de système de détection et de contrôle pour un tel véhicule, illustré à la Figure 2, implique des systèmes GPS différentiels (DGPS), un traitement d’images en temps réel et une planification dynamique du trajet.

2014-05-26 fig1 - mécatronique automobile
FIGURE 1 Utilisation d’un radar pour mesurer la distance et la vitesse afin de maintenir de façon autonome l’écart souhaité entre les véhicules.

2014-05-26 fig2 - mécatronique automobile

FIGURE 2 Conception d’un véhicule autonome doté de capteurs et d’actionneurs.

Sur les automobiles, les futurs systèmes de mécatronique pourront comprendre un pare-brise anti buée basé sur la détection de l’humidité et de la température, ainsi que sur la régulation de la climatisation, le stationnement parallèle automatique, l’aide au stationnement arrière, l’assistance au changement de voie, le freinage électronique sans fluide et le remplacement des systèmes hydrauliques par des systèmes électromécaniques asservis. Plus le nombre d’automobiles augmentera dans le monde, plus les normes d’émission devront être strictes.

Les produits mécatroniques vont, selon toute vraisemblance, contribuer à atteindre les objectifs du contrôle des émissions et de l’efficacité du moteur, en permettant une réduction substantielle des émissions de monoxyde de carbone, de monoxyde d’azote et d’hydrocarbures ainsi qu’une augmentation de l’efficacité des véhicules. De toute évidence, une automobile comportant de 30 à 60 microcontrôleurs, jusqu’à 100 moteurs électriques, environ 100 kg de câblage, une multitude de capteurs et de milliers de lignes de code informatique peut difficilement être classée comme un système strictement mécanique. L’automobile se transforme en un système mécatronique complet.

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