laboratoire modélisation, information et systèmes université de picardie jules verne mél :...
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Laboratoire Modélisation, Information et Systèmes
Université de Picardie Jules Verne
Mél : [email protected]él. : 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 [email protected]
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