La technologie cachée à la vue : le régulateur de vitesse

L’avènement du microcontrôleur a à peu près tout changé. Les gadgets modernes ont souvent une interface basée sur un écran qui peut cacher des dizaines ou des centaines de fonctions qui auraient été peu pratiques et déroutantes à faire avec des boutons et des commandes séparés. Cela colore également notre réflexion sur ce qui est possible. Imaginez si les voitures n’avaient pas de régulateur de vitesse et que quelqu’un vous demandait si c’était possible. Bien sûr. Surveillez la vitesse et contrôlez le gaz à l’aide d’un algorithme PID. C’est du gâteau, non ? Sauf que le régulateur de vitesse existe depuis au moins 1948. Alors, comment fonctionnait le régulateur de vitesse pré-microcontrôleur ? Bien sûr, dans votre voiture moderne, cela pourrait fonctionner comme vous le pensez. Mais comment avons-nous vécu plus de soixante-dix ans d’automatisation de la conduite ?

Un peu d’histoire

Un gouverneur de flyball d’un film d’entraînement de l’US Navy.

Contrôler la vitesse d’un moteur n’est en fait pas une idée très nouvelle. Au début des années 1900, les régulateurs de flyball conçus à l’origine pour les moteurs à vapeur pouvaient maintenir une vitesse définie. L’idée était qu’une rotation plus rapide provoquait l’étalement des billes, fermant la vanne de carburant ou d’air tandis que des vitesses plus lentes permettraient aux billes de se rapprocher et d’envoyer plus de carburant ou d’air dans le moteur.

L’inventeur du régulateur de vitesse moderne était Ralph Teetor, un inventeur prolifique qui a perdu la vue lorsqu’il était enfant. La légende raconte qu’il était passager dans une voiture avec son avocat au volant et s’est ennuyé que la voiture ralentisse lorsque le conducteur parlait et accélérait lorsqu’il écoutait. Cela a été inventé en 1948 et amélioré au cours des années suivantes.

1958 Impérial [Lars-Goran, CC-BY-SA 3.0.

Frank Riley and Harold Exline had similar inventions in the 1950s, though Teetor’s device won out. In 1958, the Chrysler Imperial, New Yorker, and Windsor offered a dash-mounted speed control. Cadillac renamed the device “cruise control” and the name stuck.

That was the year power door locks came out, too, and as you can tell, the public liked both of these inventions since we still have them today. In fact, the original design by Teetor didn’t actually lock the speed in, but just gave resistance to the gas pedal. Carmakers and consumers demanded the locking feature and Teetor finally consented.

From Flyball to Vacuum

A classic cruise control-equipped car will often have two cables running to the throttle body. One cable goes to your gas pedal and you intuitively know how that works. The other cable does the same thing but instead of a pedal, it is attached to a valve that uses a spring-loaded diaphragm or piston to control the cable — the cruise control servo. A valve draws vacuum or admits air into the chamber causing the diaphragm or piston to move the control cable. Since the cables are attached to each other, when the cruise control engages you can feel it in the gas pedal.

Of course, the actuator doesn’t have to use vacuum. You could as well use an RC servo, but in practice, it is nearly always a diaphragm or piston that has a vacuum on one side. The controller manages the vacuum via a valve that connects to the intake manifold or a dedicated pump along with a valve that bleeds air into the chamber. You can see a typical controller in the video below.

Il y a des variantes, bien sûr. Certaines voitures n’ont qu’un seul câble vers le corps de papillon et combinent l’entrée du régulateur de vitesse et de la pédale d’accélérateur dans ce seul câble. Sur les voitures plus récentes, l’accélérateur est probablement actionné par un moteur électrique de toute façon et un microprocesseur détermine la position de l’accélérateur. Dans une voiture plus ancienne, le réglage du vide serait proportionnel à la différence entre la vitesse définie et la vitesse souhaitée.

Diagramme du manuel d’entretien d’AutoZone montrant un ensemble de câble d’accélérateur sur un véhicule Chrysler.

Un schéma courant consistait à avoir une seule roue qui contrôle le câble vers le corps de papillon. Au-dessus et au-dessous de la roue se trouvent deux autres roues. La roue supérieure se connecte à la pédale d’accélérateur et la roue inférieure se connecte à un moteur. La roue inférieure est actionnée par le contrôleur. Dans des systèmes comme celui-ci, un solénoïde verrouillera la position de la roue et les signaux d’erreur du contrôleur ajusteront légèrement la position de la roue pour minimiser l’erreur à l’aide du contrôle proportionnel. Par exemple, un train d’impulsions d’un capteur magnétique peut être lissé à une tension continue et soustrait d’une tension de consigne pour générer le signal d’erreur.

Circuits intégrés

Le Motorola MC14460 était un « processeur de contrôle de vitesse automobile » qui était courant dans les voitures pré-microprocesseur. Nous ne savons pas avec certitude ce qu’il y avait à l’intérieur, mais étant donné les capacités de fabrication de puces de l’époque et la classification de la puce, nous doutons qu’il s’agisse d’un microcontrôleur interne.

La puce était merveilleusement économique sur les circuits externes. Il entraînerait deux bobines qui contrôlent le corps de papillon. Vous pouvez dire que la sortie est conçue pour piloter un actionneur à vide car les sorties ont les noms VAC et VENT ; un pour ouvrir la vanne de vide et l’autre pour admettre de l’air. L’appareil acceptait également une entrée de flux d’impulsions où 8 000 impulsions équivalaient à un mile de voyage. Une autre entrée a détecté le signal du feu stop.

Au-delà de cela, il y avait trois commutateurs que tout conducteur moderne connaît : un pour accélérer, un pour ralentir et un pour reprendre la vitesse. Ce circuit intégré a rendu le régulateur de vitesse bon marché à inclure dans les voitures modernes, même si l’informatisation des voitures l’a finalement mis en disgrâce.

Aujourd’hui et au-delà

Les voitures très modernes font plus que simplement maintenir la vitesse. L’utilisation d’un radar au-dessus de 70 GHz permet à votre voiture de voir les voitures et les obstacles devant vous. La voiture peut alors ajuster la vitesse pour garder une distance de suivi sûre ou même freiner avant une collision. De plus, certains systèmes vous avertiront lorsque la voiture qui vous précède s’éloigne, une fonctionnalité intéressante si vous avez la mauvaise habitude de vous laisser absorber par votre téléphone aux feux de circulation.

Nous supposons que les voitures finiront par s’intégrer à votre téléphone. Vous le brancherez et réglerez votre vitesse à partir de là. Ou peut-être que tout sera activé par les ondes cérébrales. Qui sait?

Vous voulez construire votre propre régulateur de vitesse ? Peter et Jakub l’ont fait et vous pouvez lire à ce sujet dans leur article scientifique. Nous nous sentons mal de ne pas utiliser la physique du vide dans nos projets. Les pompes à essence dépendent également de l’aspiration.