Tire slip angle

Aussi appelé: slip angle, lateral slip angle
Catégorie: Control › Locomotion control
Mots-clés: vehicle-dynamics, tire-models, autonomous-driving, friction, wheeled-robots

Angle entre la direction vers laquelle pointe une roue et la direction dans laquelle son aire de contact se déplace réellement ; c'est la principale variable qui fixe la force latérale produite par un pneu.

Définition

L'angle de dérive du pneu (tire slip angle) est l'angle entre le cap d'une roue, c'est-à-dire la trace de son plan de roue sur le sol, et la direction dans laquelle l'aire de contact du pneu se déplace réellement. Lorsqu'un véhicule prend un virage, ses pneus ne vont pas exactement là où ils pointent : la gomme et la carcasse se déforment, l'aire de contact se déplace en partie latéralement par rapport à la roue, et cette déformation produit la force latérale qui fait tourner le véhicule. Aux petits angles de dérive, la force latérale croît à peu près proportionnellement à l'angle de dérive, avec une pente appelée rigidité de dérive. À mesure que l'angle de dérive augmente, la force plafonne à un pic fixé par le frottement et la charge normale, et au-delà du pic une plus grande partie de l'aire de contact glisse et la force reste constante ou diminue.

Dans un modèle bicyclette, les angles de dérive sont calculés par essieu à partir du mouvement du véhicule. Pour l'essieu avant, l'angle de dérive est l'angle de braquage moins l'angle de la vitesse de l'essieu avant, qui dépend de la vitesse longitudinale, de la vitesse latérale et de la vitesse de lacet multipliée par la distance du centre de masse à l'essieu ; l'essieu arrière a la même forme sans le terme de braquage. Les conventions de signe diffèrent selon les ouvrages et les normes, et les formules divisent par la vitesse longitudinale, si bien qu'elles deviennent mal définies près de l'arrêt ; les simulateurs et les estimateurs ajoutent pour cette raison un traitement des basses vitesses. Les modèles de pneu non linéaires, comme la Magic Formula de Pacejka ou le modèle à brosse, relient l'angle de dérive, la charge normale et le frottement à la force latérale, et les modèles de glissement combiné réduisent la force latérale disponible lorsque le pneu freine ou accélère en même temps.

L'angle de dérive est l'une des deux grandeurs de glissement. Le glissement longitudinal, ou taux de glissement, compare la vitesse de roulement de la roue à sa vitesse d'avance et régit les efforts de traction et de freinage ; l'angle de dérive régit la force de virage. Tous deux diffèrent de l'angle de dérive du véhicule, qui est l'angle entre le cap du véhicule entier et sa vitesse au centre de masse. Un angle de dérive ne signifie pas non plus que le pneu dérape : aux petits angles, la majeure partie de l'aire de contact adhère à la route, et l'angle provient surtout de la déformation.

Pourquoi c'est important

Les efforts des pneus décident de ce qu'un véhicule à roues peut réellement faire, et l'angle de dérive du pneu est la variable qui régit l'adhérence latérale. Les contrôleurs pour voitures autonomes, les systèmes de conduite à la limite et le drift doivent tous estimer les angles de dérive et les maintenir dans la plage où l'effort du pneu est prévisible, ou délibérément au-delà.

Applications principales

Modèles de véhicule bicyclette dynamique et à quatre roues
Identification de modèles de pneu à partir de données de conduite
Contrôle électronique de stabilité et commande de conduite à la limite
Contrôleurs de drift et de course autonomes
Estimation de l'angle de dérive du véhicule et des efforts des pneus

En pratique

Une équipe qui construit un contrôleur de drift autonome enregistre sur une piste d'essai la vitesse, la vitesse de lacet, l'angle de braquage et l'angle de dérive du véhicule, ce dernier provenant d'un système inertiel et GNSS à double antenne. À partir de ces signaux, elle calcule à chaque pas de temps les angles de dérive avant et arrière, trace pour chaque essieu la force latérale en fonction de l'angle de dérive et ajuste un modèle de pneu, soit une courbe Magic Formula, soit un modèle appris. Lors d'un drift soutenu, les pneus arrière fonctionnent bien au-delà de leur pic d'effort tandis que les pneus avant restent près du leur, et le contrôleur utilise les courbes ajustées pour choisir le braquage et l'accélérateur qui maintiennent cet équilibre. Les données à très basse vitesse sont écartées, car les formules d'angle de dérive y sont peu fiables.

Idées reçues

Un angle de dérive non nul signifie que le pneu dérape — aux petits angles de dérive, la majeure partie de l'aire de contact adhère à la route et l'angle provient de la déformation du pneu
L'angle de dérive du pneu et l'angle de dérive du véhicule sont la même chose — l'angle de dérive du véhicule décrit la vitesse du véhicule entier par rapport à son cap, alors que l'angle de dérive du pneu est défini pour chaque pneu ou essieu
La force latérale continue d'augmenter avec l'angle de dérive — elle atteint un pic puis plafonne ou diminue lorsque le pneu sature
L'angle de dérive couvre tout le glissement du pneu — le glissement longitudinal, ou taux de glissement, est une grandeur distincte qui régit les efforts de traction et de freinage, et les deux interagissent en glissement combiné

Qui devrait le savoir

Ingénieurs en dynamique du véhicule et en conduite autonome
Chercheurs en commande travaillant sur la conduite à la limite et le drift
Ingénieurs qui construisent des simulateurs pour robots à roues
Développeurs en robotique de terrain travaillant sur des plateformes à roues rapides

Technologies associées

Magic Formula de Pacejka
Modèle de pneu à brosse (Brush Tire Model)
Contrôle électronique de stabilité (Electronic Stability Control)
Navigation inertielle GNSS (GNSS-Inertial Navigation)
Cercle d'adhérence (Friction Circle)

Termes associés

Projets associés

Vision Pilot: Autoware Foundation's open-source L2 ADAS stack from a single camera
python_simple_mppi: MPPI control derived and implemented in numpy, with four worked examples

Vidéos

Explained: Tire Slip Angle: JoshTheEngineer