Modélisation et commande d`une remorque tractée à propulsion

Modélisation et commande d’une remorque tractée à propulsion
régulée : minimisation de l’effort d’interaction avec le véhicule
leader, en vue de l’amélioration de l’autonomie et du comportement
dynamique du système véhicule (léger)-remorque
Proposé par : Philippe CHEVREL & Fabien CLAVEAU (équipe Commande de
l'IRCCyN)
Contact : [email protected],
http://www.mines-nantes.fr/en/research/Information-and-communicationtechnologies/Control/Communications




Nom du candidat : ?
Spécialité du doctorat envisagé (discipline) : Automatique
Université d’inscription : Ecole des Mines de Nantes
Ecole Doctorale : École Doctorale STIM (n°503) : Sciences et Technologies de
l'Information et Mathématiques
 Directeur de thèse : Philippe Chevrel (Professeur Ecole des Mines de Nantes)
 Co-encadrant : Fabien Claveau (Maitre Assistant Ecole des Mines de Nantes)
 Laboratoire d’accueil : IRCCyN, UMR6597, http://www.irccyn.ec-nantes.fr
Résumé
Ces dernières années consacrent l'avènement de la propulsion électrique. Des voitures aux
vélos en passant par les scooters, les constructeurs annoncent "leur(s)" solution(s) pour une
mobilité à (co)propulsion électrique. De nouveaux concepts sont nés, du Segway aux
trottinettes électriques.
Pour être crédibles, en termes d'autonomie ou d'impact sur l'environnement, ces véhicules se
doivent d’être légers. Dans ce contexte, le déplacement de charges un tant soit peu lourdes ou
volumineuses (ne serait-ce que des courses alimentaires) posent problèmes, et conduisent le
plus souvent à avoir fréquemment recours à un véhicule automobile traditionnel.
S'appuyant sur les concepts de modularité et de subsidiarité énergétique, la thèse aura pour
objectif central l’étude approfondie (modélisation puis conception de l’automate de pilotage)
d’une remorque électrique active dans le cas où celle-ci serait attelée à un véhicule (e.g. vélo
ou voiture électrique) possédant l’une des caractéristiques suivantes : légèreté, faible
autonomie, faible puissance. L'idée clé consiste à tirer parti des capacités propulsives de la
remorque, pour qu'elle impacte aussi peu que possible le comportement du véhicule tractant.
Ceci pourra se faire via la conception d’une stratégie de commande ad hoc, capable de piloter
en couple chaque roue de la remorque afin d’assurer freinage ou accélération en harmonie
avec celles du véhicule tractant. Une version élaborée comportera un différentiel actif
permettant d'alléger les contraintes latérales sur l'attelage.
De manière plus générale le concept pourra être étendu aussi à tous matériels roulants poussés
par une personne, types engins de manutention, de transports de marchandises du « dernier
kilomètre », lits hospitalisés, etc… La difficulté résidant alors dans la conception de
l’Interface Homme-Machine permettant de reconstruire la volonté du manipulateur et d’agir
sur la propulsion en conséquence.
Contexte de la problématique et enjeux scientifiques
Cette thèse s’appuiera sur un brevet développé au laboratoire [CC 2011], avec extension à
l’international. L’équipe commande de l’IRCCyN a mis depuis quelques années déjà, son
expertise au service de la mobilité durablei, au travers de différentes thèses et contrat. Elle
travaille en particulier sur la modélisation et la commande d’inclinaison de véhicules urbains
innovants [Maa 2011], [MCGK 2011] (en collaboration avec l’équipe Robotique de
l’IRCCyN), le contrôle du groupe moto-propulseur (hybride ou non), la gestion énergétique
optimisée des véhicules électriques.
Elle s’implique aussi dans des travaux sur l’agrément de conduite pour les véhicules
conventionnels [LBCY 2006], [LBC2007], la conception de systèmes d’assistance à la
conduite, basée en particulier sur la modélisation cybernétique des conducteurs [SCL 2012],
[SCCLM 2012] (projet ANR PARTAGE en collaboration avec l’équipe PsyCoTec de
l’IRCCyN, constituée d’experts en cognition humaine)…
[CC 2011] Ph Chevrel, F. Claveau. Engin roulant apte à être tracté par des moyens tracteurs. Brevet français
N° WO2012/95615 A1, publié le 19 juillet 2011
Déroulement du travail de thèse
Scientifiquement, la thèse comportera plusieurs volets.
Le premier portera sur la génération systématique de modèles juste nécessaires de la
remorque (à 2, 3 ou 4 roues) et du véhicule tractant, s’appuyant pour cela sur les compétences
du laboratoire sur la modélisation robotique appliquée au domaine automobile [Maa2011] et
la simplification paramétrique de modèles LFT [Che 2003]. Elle s’appuiera sur ces modèles
pour analyser l’incidence des caractéristiques du timon sur le comportement du véhicule et de
sa remorque, pour le dimensionnement énergétique et l’élaboration de la commande.
Sur ce dernier point, il sera fait appel à la théorie de la commande et des observateurs
robustes, domaine d’expertise du laboratoire, et du contrôle actif. La loi de commande
cherchera à optimiser l’exploitation d’informations de natures diverses (efforts longitudinal et
latéral exercés sur l’attelage, données issues d’une centrale inertielle, etc.) afin de garantir le
bon fonctionnement de l’ensemble indépendamment de la situation, de la charge embarquée
notamment. La robustesse paramétrique devra être garantie, ainsi que le respect des
contraintes. La formalisation du problème comme un problème H2/Hinf structuré est
pressentie, et il appartiendra à la thèse de démontrer le bien fondé de ce choix. La réduction
de performance induite par le fait de s’affranchir de toute mesure disponible sur le véhicule
tractant pour piloter les moteurs de la remorque sera évaluée. Les fonctionnements en modes
dégradés seront analysés (reconfigurable control).
Le travail de thèse comprendra donc une partie méthodologique forte sur le volet de la
modélisation mais aussi de la commande. A cela s’ajoutera une part d’expérimentation. Le
prototype de départ comprendra une remorque instrumentée avec moteurs-roues et système de
prototypage rapide (matériel Dspace®).
En termes de perspectives, le concept pourra être généralisé à d’autres engins roulants tels que
les chariots de manutention, de transports de colis, lits médicalisés... L’objectif sera ici de
concevoir un système capable 1/ d’interpréter l’intention du conducteur afin de l’assister dans
sa manœuvre (conception d’un observateur ou estimateur), et ce au moyen d’une
instrumentation robuste et de faible coût, 2/ d’assister l’opérateur en s’adaptant à toutes les
situations : variation de la masse, prise en main changeante de l’engin par l’opérateur...
Prototype existant
Le laboratoire dispose d’un prototype construit autour d’une remorque pour vélo (châssis
métallique, capacité d’emport de 40kg). La propulsion est assurée par deux moteur-roues
Nine-Continent 20 pouces (500W max par roue, vitesse maximum 36km/h), piloté par un
contrôleur double (gestion des deux moteurs) 4 quadrants Roboteq® HBL2350 (75A max par
roue, interfaces analogique, RC, pilotage en vitesse ou en couple, gestion du freinage
régénératif). L’énergie est fournie par une batterie LiFePo4 36V 15AH. L’ensemble est piloté
par un calculateur microautobox 1401, de Dspace® (outil de prototypage rapide,
programmation via Matlab / Simulink®). Le timon de la remorque peut-être équipé au choix
par un capteur d’effort FN3148 ou d’un système amortisseur double effet + capteur de
position LVDT, les deux étant dimensionnés pour accepter des efforts de plus ou moins 200
N.m.
Architecture de Contrôle/Commande
Boucle interne de courant
Boucle externe de couple
Fig. 1. Prototype IRCCyN : mise en place d'un système de prototypage rapide
Encadrement de la thèse
L’encadrement de la thèse sera assuré par Philippe Chevrel et Fabien Claveau, respectivement
Professeur et Maitre Assistant de l’Ecole des Mines de Nantes, et membres de l’équipe
Commande de l’IRCCyN.
Le doctorant pourra ponctuellement être soutenu par certains membres de l’équipe robotique
de l’IRCCyN lors de la phase de modélisation et d’identification de l’ensemble véhicule –
remorque, dans la continuité des collaborations mise en place lors de la thèse de M. Salim
Maakaroun [MCGK 2011].
Bibliographie
 Sur la modélisation (robotique) et la commande de véhicules spéciaux
[Maa 2011] S. Maakaroun, “Modélisation et simulation dynamique d’un véhicule urbain innovant en utilisant le
formalism de la robotique”, Thèse de Doctorant de l’Ecole des Mines de Nantes, Nantes, 2011
[MCGK 2011] S. Maakaroun, Ph. Chevrel, M. Gautier, W. Khalil., “Modeling and Simulation of a Two wheeled
vehicle with suspensions by using Robotic Formalism”, in Proc. IFAC World Congress, Milano, Italy, 2011 [hal00583154]
[MCC 2011] L. Mourad, F. Claveau, Ph. Chevrel, “A Lateral Control Strategy for Narrow Tilting Commuter
Vehicle Based on the Perceived Lateral Acceleration”, in Proc. IFAC World Congress, Milano, Italy, 2011
 Sur la commande robuste
[ZDK 96 ] C.Zhou, J.C. Doyle, K. Glover, Robust and optimal control. Prentice Hall, USA, 1996
[Che 2002] Ph. Chevrel, Commande des systèmes linéaires, Hermès, 2002, Chap. 5 : "Méthodologie de la
commande par approche d'état", pp. 55, Paris, France, Traité IC2, série Systèmes automatisés, ISBN 2-74620492-4, 10-2002-288p.
[Che 2003] Ph. Chevrel, Contribution à la commande robuste, HDR 2003, Université de Nantes et Ecole Centrale
de Nantes. Jury : H. Bourles- G. Duc- L. Dugard- J.F. Lafay- R. Le Doeuff- Ph. De Larminat- M. Lebrun.
 Sur la téléopération et le steer by wire
[Sename 06] O. Sename, "H control of a teleoperation drive-by-wire system with communication time-delay",
in Proc. IEEE Med. Conf. Contr. Auto. (MED), Ancona, Italy, 2006
[CC 09] F. Claveau, Ph. Chevrel, "A Multivariable Centralized Controller Design Methodology for a Steer-by-Wire
System", in Proc. European Control Conference, ECC'09, Budapest, Hungary, 2009
 Sur la commande de file de véhicules (notion de string stability)
[SH 96] D. Swaroop, J.K. Hedrick, "String stability of interconnected systems", IEEE Transactions on automatic
control, vol. 41, N°3, 1996
[KD 06] M.E Khatir, E.J. Davison, "A Decentralized lateral-longitudinal controller for a platoon of vehicles
operating on a plane”, in Proc. IEEE American Control Conference, USA, Minneapolis, 2006
[YMK 11] H. Yamagushi, M. Mori, A. Kawakami, “Control of a Five-axle, three-steering coupled-vehicle system
and its experimental verification”, in Proc. IFAC World Congress, Italy, Milano, 2011
 Sur la dynamique latérale et longitudinale de véhicules automobiles
[SCL 2012] L. Saleh, Ph. Chevrel, J.F. Lafay, Optimal Control with Preview for Lateral Steering of a Passenger
Car: design and test on a driving simulator. R. Sipahi, T. Vyhlidal, S.-I. Niculescu, P. Pepe, Time Delay Systems Methods, Applications and New Trends, edited volume, published in Lecture Notes in Control and Information
Sciences (LNCIS), Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K, edition, 31 January 2012, 454 pages,
ISBN-10: 3642252206.
[SCCLM 2012] L. Saleh, Ph. Chevrel, F. Claveau, J.F. Lafay, F. Mars, "Contrôle latéral partagé d’un véhicule
automobile : Conception à base d’un modèle cybernétique de conducteur et d’une commande H2 anticipative",
numéro spécial JESA (Journal Européen des Systèmes Automatisés), Commande robuste et applications, accepté
en 3 mars 2012
[LBCY 2006] D. Lefebvre, M. Berriri, Ph. Chevrel, M. Yagoubi., Technique de régulation des vibrations
longitudinales d'un vehicule automobile par compensation partielle du couple de charge. PSA, La Garenne
Colombes, France, 2006, Brevet n°0510122.
[LBC 2007] D. Lefebvre, M. Berriri, Ph. Chevrel, Méthode d'estimation des jeux dans une chaine de transmission
automobile afin de limiter les chocs. PSA, 2007, brevet numéro 0755122.
i
http://www.mines-nantes.fr/en/Entreprise/Nos-domaines-d-expertise/Commande/Commande-et-vehicules-innovants
http://www.mines-nantes.fr/fr/Recherche/Informatique-systemes-d-information-et-de-production/Equipe-Commande