1 Surveillance et commande Tolérante aux Fautes. Application à un véhicule tout électrique...

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Surveillance et commande Tolérante aux Fautes. Application à un véhicule tout

électrique Présentée par Abdelwahab Aïtouche

Laboratoire d'Automatique , Génie Informatique et Signal

Université des Sciences et Technologies de Lille Hautes Etudes d’Ingénieur

Equipe de Recherche SFSD

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Introduction

•Automobile est un domaine d'application privilégié

•Nécessité de rendre les véhicules plus sûrs, moins polluants,

moins gourmands en énergie

•Systèmes d'assistance : ABS, EPS, limiteur et régulateur de vitesse

Parking automatique, ….

•Sur le plan scientifique: développer des algorithmes de commande permettant d'assurer la conduite automatique en toute sécurité et avec des performances dynamiques satisfaisantes.

•Sur le plan technologique: développer de nouveaux capteurs permettant de mesurer l'environnement du véhicule quelque soient les circonstances (pluie, brouillard, etc.).

Enjeux

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Introduction

•Traiter des données complexes à cause de

la multiplication de capteurs

•Rendre le véhicule sûr de fonctionnement en présence

de défaillances de capteurs et/ou d’actionneurs

Challenge

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Introduction

Quelques exemples d’application en Nord Pas de Calais

Véhicules autonomes

•Le LAMIH a développé instrumenté un véhicule hybride afin de réaliser le suivi automatique d'un véhicule.

•La plateforme "TRAVEL" Un train de véhicule automatisé •"ROBUCAR" a été réalisé au LAGIS

Capteurs intelligents

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6

Contexte et problématique

procédéActionneurs capteurscontrôleurconsigne

défaut défaut défaut défaut

Tolérance aux fautes :

Comment le système réagit suite à l’apparition d’une ou de plusieurs défaillances :

• de capteur(s) ?

• d’actionneur(s) ?

• du procédé ?

• du contrôleur ?

Peut-on continuer à atteindre les objectifs fixés au départ ? Phase d’analyse du système

Phase de mise en place d’une commande tolérante aux fautes

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ROBUCAR

On suit une trajectoire à la vitesse désirée

Actionneurs• moteur électrique sur les roues motrices

• angle de braquage de l’essieu arrière

• angle de braquage de l’essieu avant

• capteur de vitesse pour la roue AvG• capteur de vitesse pour la roue AvD• capteur de vitesse pour la roue ArG• capteur de vitesse pour la roue ArD• capteur des angles de braquage Av et Ar• centrale inertielle• GPS (position du véhicule en x et en y)

Capteurs

ROBUCAR

A

B

L’application s’intéresse à l’aptitude qu’à un véhicule (RoBuCar) à suivre des objectifs même après la perte d’un ou de plusieurs actionneurs.

Contexte et problématique

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Contexte et problématique

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Contexte et problématique

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Problématique : En cas de défaillance majeure de certains actionneurs, que se passe-t-il ? Et comment le système peut-il réagir ?

Peut-on continuer à suivre les consignes en trajectoire et en vitesse ?

Actionneurs

• moteur électrique sur les roues motrices

•Angle de braquage de l’essieu arrière

• Angle de braquage de l’essieu avant

ROBUCAR

• capteur de vitesse pour la roue AvG• capteur de vitesse pour la roue AvD• capteur de vitesse pour la roue ArG• capteur de vitesse pour la roue ArD• capteur des angles de braquage Av et Ar• centrale inertielle• GPS (position du véhicule en x et en y)

Capteurs

Contexte et problématique

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Contexte et problématique

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Système non linéaire

FDI

Commande

Pas de composant défaillant détecté

Capteurs défaillants détectés et localisés

FTE

Composants en défaut détectés

Actionneurs défaillants détectés et localisés

Actionneurs défaillants

Actionneurs Sains

Capteurs défaillants

Capteurs Sains

FTCconsigne

Contexte et problématique

Principe de la commande tolérante active aux fautes du point de vue capteurs et actionneurs :

défaut 3

Commande défaut 3

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Sommaire

Introduction

Contexte et problématique

2. Modélisation du véhicule

1. Description du véhicule autonome

Conclusion et perspectives

3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé

4. Mise en place d’un module de surveillance

5. Stratégie et mécanisme de reconfiguration

6. Simulations et résultats

14Description de Robucar

Robucar est un prototype de véhicule électrique servant de plate-forme expérimental pour des études d’automatique menées au laboratoire LAGIS de Lille.

• 4 moteurs de traction

• 4 moteurs de freinage

• 2 moteurs pour les directions avant et arrière du véhicule

1 Batteries de 12 volts 60Ah2 Le châssis3 Roue avant droite4 Panneau de contrôle avant5 Vérin électrique de direction avant6 Roue avant gauche7 Batteries8 Roue arrière gauche9 Vérin électrique de direction arrière10 Panneau de contrôle arrière

Le véhicule possèdent 10 moteurs à courant continu:

151. Description de Robucar

Les caractéristiques générales du véhicule sont les suivantes :

Longueur hors tout : 1,90m

Largeur hors tout : 1,20 m

Poids total avec batteries : 300 kg

motorisation : 4 moteurs électriques de 1 kW

4 roues motrices et directrices

Vitesse théorique maximale : 30 km/h

Autonomie : 3 heures d'utilisation continue

Capacité d'accueil : 2 personnes avec bagages

Conduite automatique ou manuelle

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Ce véhicule présente quelques imperfections mécaniques telles que du frottement dans le système de transmission.

Le module de traction est présenté plus précisément sur la figure suivante:

1 : interface moteur 2 : Biellette de direction 3 : moteur de 1200 Watts

4 : roue 6 : Amortisseur 7 : Encodeur incrémental

1. Description de Robucar

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Encodeur incrémental de mesure

de la vitesse des roues

1. Description de Robucar

Encodeur absolu de mesure de la longeur de la tige du vérin

181. Description de Robucar

Synoptique de l’architecture matérielle de Contrôle/Commande

191. Description de Robucar

Schéma fonctionnel d’un nœud

201. Description de Robucar

Schéma de l’architecture de RobuCar

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ROBUCAR

• La vitesse du véhicule ne dépasse pas 20 km/h (c’est une contrainte de RoBuCar)

• Environnement non perturbant (absence d’obstacle)

• On étudie le véhicule sur trois degrés de liberté : dynamique longitudinale, latérale et lacet

• Angle de braquage faible (- de 10°)

Hypothèses de modélisation :

2. Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule

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ba

x

y

Description des entrées, sorties et états du système :

Trf4321 UUUUUUu

Les entrées de commande

(Ui couples de traction appliqués sur chacune des roues

Uf et Ur: couple de braquage des roues avants et arrières)

Les vitesses de rotation des roues i, les vitesses et positions longitudinales et latérales du véhicule, les angles de braquage des roues avant et arrières et leurs dérivées et la vitesse de lacet du véhicule

T

4321 θθθθx

rrffyyxx

Les états du système :

T

4321 θθθθy

rfyx

Les sorties

: vitesse de rotation de la roue i

1θ

f r : angle de braquage des roues Av et Ar,

yx, : coord de la position du véhicule

: vitesse de lacet

2 Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule

30 3 Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé

Loi de commande du véhicule en mode nominal

Linéarisation par bouclage linéarisant et commande par retour d’état :

++

++

)(xf

B C

Observateur)ˆ(xf)ˆ(x

uv y

RobuCarSystème linéarisé par bouclage linéarisant

x̂ uy

H-

+

K

réf

d1

d2

d3

d4

fd

rd

Avec cette commande, nous suivons des consignes de vitesses de rotation des roues et de dérivées d’angle de braquage

313. Lois de commande du véhicule en

modes nominal et dégradé

En réalité, nous souhaitons suivre une trajectoire à une vitesse désirée.

En amont, du système précédent, nous rajoutons un module pour suivre les consignes en trajectoire et vitesse.

Loi de commande du véhicule en mode nominal

Planification de trajectoire muni d’un contrôleur

Système linéarisé par bouclage linéarisant

et commandé par retour d’état

Estimateur de la position de RobuCar

uyestx

esty

trajdes

desvréf

323. Lois de commande du véhicule en

modes nominal et dégradéPlanification de trajectoire muni d’un contrôleur

Système linéarisé par bouclage linéarisant

et commandé par retour d’état

Estimateur de la position de RobuCar

uyestx

esty

trajdes

desvréf

Module de planification de trajectoire muni d’un contrôleur :

desv 1/R

des1

des2

des3

des4

estx

estx

desy

desy-

+

esty

yPID

desf

trajdes

33 3 Loi de commande du véhicule en modes nominal et dégradé

Loi de commande du véhicule en mode nominal

34 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé

Loi de commande du véhicule en mode nominal

35

L’angle de lacet

3. Loi de commande du véhicule en modes nominal et dégradé

363. Lois de commande du véhicule en

modes nominal et dégradé

Lois de commande du véhicule en mode dégradé

De même pour chaque défaillance d’actionneur, une loi de commande est calculée hors ligne de manière à suivre la trajectoire.

Cxy

uBxfx ff)(

000000

000000

100000

000000

000000

000000

000000

000000

000000

001

000

0001

00

00001

0

000001

4

3

2

1

r

s

s

s

s

f

J

J

J

J

J

B

exemple: pour une perte de l’actionneur de direction avant, le nouveau système à commander est de la forme:

où

373. Lois de commande du véhicule en

modes nominal et dégradéExemple de la détermination d’une commande sans l’actionneur de direction avant:

Planification de trajectoire tolérante

aux fautes

Système linéarisé par bouclage linéarisant et commandé par

retour d’état

Estimateur de la position de RobuCar

uyestx

esty

trajdes

desv

*

*

*

*

*

*

4

3

2

1

r

f

s

s

s

s

38

Contrôleur :

• Soit un PID

• Soit un contrôleur à mode glissant où la surface de glissement est : vv as

3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé

desv 1/R

des1

des2des3

des4

estx

estx

desy

desy-

+

esty

y 0 desf

trajdes

Contrôleur

+

+

+

-

k1

k2

k3

k3

40 Mise en place d’un module de surveillance(détection et localisation des défauts)

Méthodes basées sur une modélisation du système : diagnostic quantitatif

modèle

procédé

Génération de résidus

Evaluation des résidus

Analyse des défauts

résidusLocalisation des défautsdéfauts

Prise de décision

par les relations de redondances analytiques

théorie de l’élimination pour générer les résidus En présence de défaillance(s),

les caractéristiques des résidus changent

• soit par des méthodes statistiques

• soit par un seuillage fixe ou adaptatif

L’évaluation des résidus se fait :

matrice d’incidence

44 4. Mise en place d’un module de surveillance

(détection et localisation des défauts)

Grâce à la redondance existante dans les informations suivantes:• Connaissance du modèle du véhicule• Connaissance de la valeur des entrées du système• Connaissance de la valeur des sorties du système

Nous pouvons calculer des résidus. Ici, 6 résidus sont calculés en ligne:

rrryyxxrrrr

fffyyxxffff

ryrx

ryrx

fyx

fyx

kDFFDFFufJR

kDFFDFFufJR

RFRFufJR

RFRFufJR

RFRFufJR

RFRFufJR

4343

2121

44

33

22

11

66

55

444444

333333

222222

111111

45 4 Mise en place d’un module de surveillance (détection et localisation des défauts)

• si |R5| > seuil_5, l’actionneur 5 est en défaut

R1 R2

R3 R4

R5 R6

475. Stratégie et mécanisme de reconfiguration

)(

).()(

xhy

uxgxfxSoit le système sans défaut suivant

Pour ce système, une commande est calculée : CN

Lorsqu’un défaut d’actionneur apparaît (défaillance 1), le système s’écrit :

)(

).()(

xhy

uxgxfx ff

Pour ce cas de défaillance, une commande est calculée : Cf1

La commande est calculée afin que le système en défaut ait dans la mesure du possible, des performances similaires en boucle fermée au système sans défaut.

De la même manière, pour chaque cas de défaillance, une commande est calculée :

Cf2, Cf3, …, Cfi

où )()()( xgxgxg FSf en cas de reconfiguration : 0)( xgF

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6. Simulations et résultats

Simulation du système suite à l’occurrence d’un défaut

sur l’actionneur de traction de la roue avant gauche

sur l’actionneur de direction des roues avant

• sans considérer de valeurs limites pour les entrées de commande

• en considérant des valeurs limites pour les entrées de commande

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Trajectoires mesurées et trajectoire désirée

Défaut sur l’actionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s

51

Les entrées de commande (avec la commande à mode glissant)

u1 u2

u3 u4

u5u6

Défaut sur l’actionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s

52

L’angle de lacet

Défaut sur l’actionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s

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Trajectoires mesurées et trajectoire désirée

Défaut sur l’actionneur de direction avant (avec saturation) à t = 21s

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L’angle de lacet

Défaut sur l’actionneur de direction avant (avec saturation) à t = 21s

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6. Simulations et résultats

Conclusion sur les simulations :

• Bon suivi des consignes en trajectoire et en vitesse

sans présence de défaut

mais aussi en cas de défaillance sur un moteur de traction

• Suivi plus difficile en cas de défaillance sur le moteur de direction

et surtout lorsque la valeur des entrées de commande est limitée