Laboratoire Modélisation, Information et Systèmes Université de Picardie Jules Verne Mél :...

Laboratoire Modélisation, Information et Systèmes

Université de Picardie Jules Verne

Mél : ahmed.hajjaji@u-picardie.frTél. : 03 22 82 76 84, Fax : 03 22 82 76 63

Ahmed El Hajjaji,

Sécurité active dans les véhicules automobiles

Plan

• Présentation du Laboratoire MIS

• Présentation de l’équipe COVE

• Résultats dans le domaine de véhicule– Freinage d’urgence– Stabilité en virage– Suspension active

• Conclusions

Laboratoire MIS Université de Picardie Jules Verne

MIS (Modélisation, Information et Systèmes) : Domaine STIC (Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication).

Fusion de 2 unités : – LaRIA - Laboratoire de Recherche en Informatique d’Amiens.– CREA – Centre de Robotique, d’Électrotechnique et

d’Automatique.

Directeur : Gilles Kassel gilles.kassel@u-picardie.fr

Tél. : 03 22 82 88 75 Fax : 03 22 82 54 12

Laboratoire MIS – Personnel

14 professeurs des universités

25 maîtres de conférences

30 doctorants et 9 ATER et post-doctorants

3 ITA/BIATOS 

Laboratoire MISEquipes de recherche

5 équipes de recherche :

Combinatoire et algorithmique

Systèmes distribués, mots et applications

Ingénierie des connaissances

Perception et Robotique

Commande et Véhicule

Laboratoire MIS – Activités générales

Informatique : – Algorithmique, complexité– Parallélisme, systèmes répartis, réseaux– Théorie des Graphes, recherche opérationnelle– Logistique : optimisation des flux (mieux planifier les tâches, mieux

lisser l’activité, optimiser les ressources, …)– Gestion des connaissances, mémoires d’entreprise, Web Sémantique

Automatique et Robotique : – Diagnostic, Contrôle automatique, Commande tolérante aux fautes – Aide et assistance à la conduite dans les véhicules (confort et sécurité).– Gestion de l’énergie (Véhicule solaire, Ferroviaire).– Vision omnidirectionnelle– Perception multi-sensorielle et omnidirectionnelle de robots– Localisation des robots

Commande & Véhicule

1 Professeur

4 Maîtres de conférences

8 Doctorants et 5 Master 2

Composition de l’équipe

Responsable : A. El Hajjaji

Axes de recherche

Commande et diagnostic robuste Commande robuste

Diagnostic et commande tolérante aux fautes

Véhicules terrestres Véhicules automobiles

Véhicules ferroviaires

Incertitudes

Perturbations

Commande robuste

Maîtrise des comportements dynamiques des systèmes non linéaires incertains et soumis à des perturbations.

SystèmeCommande Robuste

Consignes

Commande robuste

Modèle 1Modèle 1

Modèle 2Modèle 2

Modèle iModèle i

Modèle nModèle n

Système

Contrôleur 1Contrôleur 1

Contrôleur 2Contrôleur 2

Contrôleur iContrôleur i

Contrôleur nContrôleur n

état

sorties

commandeconsignes

Observateur 1Observateur 1

Observateur 2Observateur 2

Observateur iObservateur i

Observateur nObservateur n

État estimé

Diagnostic robuste

Actionneurs

Tests statistiques

Détection

Localisation

Identification

Pronostic

Modèle

Processus Capteurs

Présence dedéfaut

Origine de la

défaillance

Caractérisation

de la défaillance

Évolution de

la défaillance

Génération de résidus

Module de diagnostic de défaillances

défauts défauts défauts

Commande tolérante aux fautes

Gestion des défauts dans le système

Reconfiguration des lois de contrôleAccommodation des lois de contrôle

Mode dégradé

Architectures de FTC

ModèleVéhicule

Loi de Commande

Sorties

Commande

Résidu

Observateur 1

<

Observateur 2

Observateur n

r1

r2

rn

Logique de décision

Banc d’observateurs

Etats estimés

Etat estimé sans défauts

défauts

Architectures de FTC

SystèmeSystème

Contrôleur 1

Contrôleur 2

Contrôleur n

Test de décision

Banc de contrôleurs

Contrôleur nominal

Contrôleur nominalFDIFDI

+

+

commandesorties

défauts

Véhicules automobiles

- Freinage - Suspension- Stabilité en virage- Management des énergies

Non linéarités, couplages des dynamiques, variations paramétriques, perturbations extérieures et des défauts.

Améliorer le contact pantographe/caténaire– Surveiller et éviter les ruptures des câbles

de la caténaire.– Réduire l’usure de la bande de captage de

courant.– Réduire les arcs électriques. – Augmenter la durée de vie des installations

électriques dans le TGV.

Contrôle actif du pantographe(Collaboration avec SNCF)

Algorithmes de contrôle et de diagnostic robuste

Pourquoi les systèmes de sécurité active ?

Statistiques

• Nombre de voitures dans le monde – En 1970 : 246 000 000– En 2005 : plus 800 000 000

• Nombre de voitures fabriquées– En 1970 : 30 000 000– En 2005 : plus 65 000 000

• Nombre d’accidents en US – En 1998 : 6 336 000 ( 37 071 décès).

• Nombre de décès dans le monde : 1 mort/min.• 90 % des accidents sont dus aux erreurs humaines

Solutions

• Véhicules propres

• Intégration des systèmes d’aide à la conduite.

• Améliorer le confort dans les véhicules.

Dynamique de véhicule

Etudier la dynamique de véhicule : analyser et comprendre les interactions du véhicule avec :

Environnement : Air et solConducteur : actions de commande (braquage, accélération et

freinage).

Véhicule

Aérodynamique

InteractionPneu/sol

Accélérateur

Freinage

BraquageRéactions

dynamiques

Conducteur

Interaction avec l’environnement

Le contact que la voiture peut avoir avec l'extérieur est double : 

Avec l'air : Forces aérodynamiques

Avec le sol : Forces adhérence.

Pour la force d'adhérence, on distingue :

une composante longitudinale (accélérer et freiner le véhicule).

une composante transversale (tourner la voiture).

une composante normale (supporter la charge et amortir les

déformations du sol).

Force d’adhérence

Fx=Fz(s) Fy=Fz()

Analyse du freinage

.

0

t x x

z t

r x f

m v F

F m g

J R F T

zT (s).F

x r

x

v rs

v

fxr

xx

TFrJ

Fvm.

.

Analyse de freinage 0 0, 0,0x R x R xv R v R v s [0 1]

ABS BOSH

Dynamique latérale du véhicule

yrryffz

yryf

FaFaI

ru

FFm

.

.

Analyse de la stabilité

en fonction du braquage et de la vitesse

f =0U=20m/sRoute sèche

f =0.08radU=20m/sRoute sèche

f =0.05U=25m/sRoute sèche

f =0.06 radU=20m/sRoute sèche

Analyse de la stabilité en fonction du braquage et de la vitesse

f =0.08 radU=15m/sRoute sèche

f =0.05 radU=20m/sRoute sèche

Mouvement en virage(sous-virage et survirage)

rfR

a

0

a

R

2 0

  Comportement caractéristique d’un véhicule. effet neutre : dérive avant= dérive arrière effet sous-vireur : dérive avant>dérive arrière effet sur-vireur : dérive avant<dérive arrière

Véhicules ont une tendance sous virage (AV la stabilité IN : maniabilité)Au fur et à mesure que le survirage : l’instabilité également)

a=af+ar

1 0

Survirage et sous-virage

R

umF

R

umF

ryr

fyf

2

2

f

yff C

F

2

r

yrr C

F

2

2

yf yr

f yf r yr

VF F m

Rl F l F 0

yvaKR

a

Véhicule neutre 0vK

Véhicule sous-vireur 0vK

Véhicule survireur 0vKr

r

f

f

C

m

C

m

r

r

f

f

C

m

C

m

r

r

f

f

C

m

C

m

neutre

Sous virage

Surviragevitesse

braquage

Vitesse critique

aC

ma

aC

maK

r

f

f

rv 22

est gradient du survirageR

uay

2

Causes de  survirage ou de sous-virage

Angle de dérive si   la pression et la charge.

Pneumatiques avant et arrière différents. En général, ceci ne se produit que sur les voitures de compétition: dans les voitures de série, on utilise presque toujours des pneumatiques identiques qui sont seulement gonflés à des pressions différentes pour les deux essieux. 

Le fait de gonfler davantage les pneumatiques arrière a pour conséquence d'avoir des angles de dérive plus grands à l'avant qu'à l'arrière, ce qui rend la voiture sous-vireuse. 

ESP BOSH

Suspension

u

Suspension

Supporter le poids et la charge du véhicule en limitant l’amplitude des débattements.

Confort : filtrer les irrégularités de la route

Sécurité : tenue de la route en maintenant les roues en contact avec le sol

Objectifs :

Analyse de la suspension

1 2

1 2

( )sm g k kL

k k

sp mkk

kkf

)(2

1

21

21

Débattement:

Mode de pompage de la caisse :

Mode de battement de la roue :u

roue m

kkf 21

2

1

Mode caisse le plus faible possible pour filtrer au maximum les sollicitations de la route accroître le confort du passagers

Le mode roue doit être élevé afin de maintenir le contact avec le sol accroître la tenue de route

Suspension Sécurité et confort

Remarques :-Les spectres fréquentiels des sollicitations des profils routiers deviennent très peu énergétiques au-delà de 10 Hz.-Le corps humain est très sensible aux modes de fréquences <1 Hz.

(mal de mer)

Mode de pompage caisse entre 1 et 2 Hz (sportive), Mode roue >10Hz

Si on suppose que ms, m et k2 fixe, alors il faut choisir k1 :- pour limiter la déflexion il faut augmenter k1.- pour abaisser le mode caisse il faut diminuer k1.- pour accroître le mode roue il faut augmenter k1.

Suspension passive

si k1 augmente : BP augmente et phénomène d’instabilité augmente

-une raideur de suspension très élevée rend le véhicule très inconfortable

un effet déstabilisant problème de sécurité

- un amortissement élevé limite les oscillations des réponses indicielles et engendre plus de confort

Amélioration du freinage : ABS

Amélioration du freinage : ABS

MODELE D’ETAT

Forces actionneurs Grandeurs

mesurées

INCERTITUDES

++

MODELE INCERTAIN

Retour de SORTIE

+

Régulation de taux de glissement

0 2 4 6 8 10 12 14 160

50

100

150

200

250

Time (s)

Ang

ular

Vel

ocity

-(rad

/s)

Vehicle

Wheel

Icy road

Wet road

Contrôle linéaire Contrôle à mode glissant flou

2

0 01

i f i i fi fi f zi

x A A x B B B B M

2

2 zM

J

rf

r rf f

F Frmv

a F a Fr

J

Stabilité en virage

20m/s Vitesse 30m/s 0.4 Adhérence 1

0.1rad 5.73f f

Résultats

Braquage des roues avant

Angle du glissement latérale et son estimé

f

Vitesse du lacet et son estimée r

Résultats de simulation

Dérive Vitesse du lacetContrôle robuste

Contrôle linéaire

Sans contrôle

Suspension : cas linéaire

Contrôle linaireBoucle ouverte

Comparaison suspension passive et active

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

dis

pla

cem

ent

(Zc)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

speed o

f dis

pla

cem

ent

(dZ

c/d

t) t)0.01sin(10w

Command H∞ basée sur un observateur flou

Suspension active

Du

kp

zr

zp

mr

mc zc

k

2( ( )) 1 2

1( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

nz ti i

ix t h A x t B u t B w t

y t Cx t

2.

11

ˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

ˆ ˆ( ) ( )

n

i i ii

x t h z A x t B u t L y t y t

y t Cx t

2

1

ˆ( ) ( )i ii

u t h z K x t

Structure de l’observateur

Structure de la commande

Résultats de simulation

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

Disp

lace

men

t of s

prun

g-m

ass

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5

0

0.5

spee

d of

spr

ung-

mas

s

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

Dis

plac

emen

t of s

prun

g-m

ass

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

spee

d of

spr

ung-

mas

s

0 5 10 15 200

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

Contrôle de la dynamique de véhicule

• Objectifs :

– Garantir la stabilité globale.

– Placer les pôles de l’observateur et du contrôleur dans des régions LMI.

– Garantir une convergence plus rapide de l’erreur d’estimation par rapport à l’état du système.

Algorithme qui combine : D-stabilité et le H

Résultats de simulation

0 2 4 6 8 10 12 14-1

0

1x 10

-3

beta

(rad)

Time(s)

0 5 10 15-0.02

0

0.02

Vy(

m/s

)

0 5 10 15-0.01

0

0.01

r(rad

/s)

0 5 10 15-0.02

-0.01

0

0.01

p(ra

d/s)

Time(s)

0 5 10 15-2

0

2x 10

-3

phi(r

ad)

Time(s)

beta

Estimated beta

Vy

Estimated Vy

r

Estimated r

p

Estimated p

phi

Estimated phi

0 2 4 6 8 10 12 14-2

0

2x 10

-4

Sid

e sl

ip a

ngle

(rad)

Time(s)

0 5 10-5

0

5x 10

-3

Late

ral v

eloc

ity (m

/s)

0 5 10-1

0

1x 10

-5

Yaw

rate

(rad/

s)

0 5 10-1

0

1x 10

-4

Rol

l rat

e(ra

d/s)

Time(s)0 5 10

-1

0

1x 10

-5

Rol

l ang

le(ra

d)

Time(s)

w ith Hinf approach

w ithout Hinf approach

Commande robuste non fragile basée sur observateurCommande robuste non fragile basée sur observateur

2

0 01

ˆ( ) ( ( )) ( )i x i ii

u t h v t K K x t

Résultats de simulationRésultats de simulationRésultats de simulationRésultats de simulation

Angle de braquage

Evolution du vecteur d’état du véhicule

Résultats de simulationRésultats de simulation (2)(2)Résultats de simulationRésultats de simulation (2)(2)

Vitesse longitudinale et vitesses des quatres roues

Résultats de simulationRésultats de simulation (3)(3)Résultats de simulationRésultats de simulation (3)(3)

1, 1ˆay y yR a a

1, 1 1ˆrR r r

2, 2ˆay y yR a a

2, 2 2ˆrR r r

2.1

1 1 11

21

111

| |)

| |)

ˆ ˆ ˆ( ) (

ˆˆ(

ˆ

i f i z fi f i yi

yi f i i f

i

yx t h A x BM B G a

ah x D

a

Cr

22

2 2 21

2

212

| |)

| |)

ˆ ˆ ˆ(

ˆˆ(

ˆ

i f i z fi f i

i

yi f i i f

i

x h A x BM B G r

ah C x D

r

r

observateur 1

observateur 2

<

CommutationBloc de décisionVéhicule

ây1

r•

ay

[R1,ay R1,r]

1r

ây2

2r[R2,ay R2,r]

Bloc FDI

Mz

δf

controller

Commande FTC de la dynamique latérale du véhicule

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

-0.5

0

0.5

1Additive signal to sensor 1 output

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.5

1

1.5Additive signal to sensor 2 output

time (s)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.1

0

0.1

Steering angle f (rad)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

time (s)

Lateral velocity (m/s)

Estimation of lateral velocity

Yaw rate (rad/s)Estimation of yaw rate

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.5

1

1.5Additive signal to sensor 1 output

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.5

1

1.5

time (s)

Additive signal to sensor 2 output

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.1

0

0.1

Steering angle f (rad)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.2

0

0.2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.2

0

0.2

time (s)

Latera velocity (m/s)

Estimation of lateral velocity

Yaw rate (rad/s)

Estimation of yaw rate

Défaut additif à la sortie du capteur 1

Défaut additif à la sortie du capteur 2

Angle de braquage des roues avant

f

Sortie du capteur 1: ya

et son estimé

rSortie du capteur 2:

et son estimé

Résultats de simulation

Sans utilisation de la stratégie FTC Avec utilisation de la stratégie FTC

Génération des résidus

& Prise

de décisionObservateur 1

●

ay

v

Observateur 2

ay1

v1

Contrôleur 1

Contrôleur 2●

ay2

v2

Mz

fRésidus:

R =a a1ay y y1

R =a a2ay y y2

1 1R r rr

2 2R r rr

Commande FTC de la dynamique latérale du véhicule

Commande H∞ basée sur observateur: Banc de contrôleurs + Banc d’observateurs

Défaut additif à la sortie du capteur 1

Défaut additif à la sortie du capteur 2

Angle de braquage des roues avant

f

Sortie du capteur 1: ya

et son estimé

rSortie du capteur 2:

et son estimé

Résultats de simulation

Sans utilisation de la stratégie FTC Avec utilisation de la stratégie FTC

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

1

2

3Signale ajouté à la sortie du capteur 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

-0.5

0

0.5

1

temps [s]

Signale ajouté à la sortie du capteur 2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.1

0

0.1Braquage des roues avant

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

0

1Evolution de la vitesse latérale et son estimée

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1

0

1

temps [s]

Evolution de la vitesse du lacet et son estimée

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

1

2

3

4Signale ajouté à la sortie du capteur 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

temps [s]

Signale ajouté à la sortie du capteur 2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.1

0

0.1Braquage des roue avant

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5

0

0.5Evolution de la vitesse latérale et son éstimée

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5

0

0.5

temps [s]

Evolution de la vitesse du lacet et son estimée

Commande FTC de la dynamique latérale du véhicule

Commande par retour de sortie statique: Banc de contrôleurs + Banc d’observateurs

Génération des résidus

&Prise

de décision

SMO 1

●

Procédé ...

y1

y2

yp

.

.

.

SMO 2

X

Y

X

Y

SMO p Y

X

SOC 1

SOC 2

SOC p

●

●

.

.

.

.

.

.

Bloc «FDI»

Bloc de commandeCommutateur

SMO: Sliding Mode Observer

SOC: Static Output Controller

Défaut additif à la sortie du capteur 1

Défaut additif à la sortie du capteur 2

Sortie du capteur 1: ya

rSortie du capteur 2:

et son estimé

Résultats de simulation

Sans utilisation de la stratégie FTC Avec utilisation de la stratégie FTC

Sorties nominales (sans défauts)

Conclusions• Surveillance active du comportement du

véhicule sans mesure de la dérive (vitesse latérale),

• Régulation du taux de glissement pour améliorer le freinage d’urgence.

• Amélioration de la stabilité du véhicule en présence de défauts capteurs.

• Confort : filtrer les irrégularités de la route