Contrôle de la stabilité dynamique du Châssis d un véhicule routier, en situations critiques

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1 Contrôle de la stabilité dynamique du Châssis d un véhicule routier, en situations critiques Carine Bardawil Cotutelle entre l UTC et l Université Libanaise Encadrée par : Reine Talj Ali Charara Clovis Francis 1

2 Plan de la présentation Motivations et problématique Objectifs Etat de l art Démarche de travail Résultats et contributions Conclusion et perspectives Planning 2

3 Motivations Des situations critiques diverses peuvent survenir durant la conduite. La majorité des accidents surviennent soit parce que le conducteur a mal réagit, soit parce que sa réaction était retardée. L amélioration de la stabilité des véhicules routiers par un système de contrôle est nécessaire. 3

4 Problématique Scientifique Différents systèmes électroniques sont développés pour le contrôle de la stabilité. (Braquage actif, freinage différentiel, distribution du couple de traction, suspension*) Chacun de ces systèmes est conçu pour atteindre un objectif donné. Une meilleure performance de la dynamique du véhicule est obtenue par une propre coordination entre ces systèmes. a) b) c) Les différents systèmes qui peuvent être contrôlés dans un véhicule : a) freinage, b) braquage, c) suspension. 4

5 Objectifs Etude des différents systèmes de stabilisation existants. Synthèse de nouvelles lois de commande pour contrôler chaque actionneur. (Braquage, freinage et suspension) Elaboration d une stratégie de combinaison entre les différents contrôleurs. Validation sur un modèle 3D du véhicule. 5

6 Etat de l art La théorie de la dynamique des véhicules définit les différents effets dans le véhicule selon : La dynamique verticale (liée au confort des passagers) La dynamique longitudinale (liée à la stabilité) La dynamique latérale (liée à la stabilité) 6

7 Etat de l art Les sous-systèmes suivants ont été étudiés pour contrôler ces dynamiques : Braquage Stabilité Freinage différentiel/ traction Stabilité. Suspension Confort. Les systèmes électroniques qui contrôlent respectivement ces sous- systèmes : Braquage actif, Contrôle de stabilité électronique ( ESC, ESP, ABS, 4- Wheel, ) 7

8 Etat de l art Ces 3 sous-systèmes sont couplés à travers la dynamique du véhicule, mais souvent traités d une façon découplée. Suite à leur combinaison, des situations où les actionneurs interfèrent négativement peuvent avoir lieu. Une propre coordination est nécessaire, d où l idée du contrôle global de châssis. 8

9 Etat de l art Le contrôleur global de châssis est : Un contrôleur MIMO qui commande plusieurs actionneurs en même temps, Il réduit les erreurs de la dynamique du véhicule, Il tient en considération les effets de couplage entre les actionneurs. Il est capable de décider la combinaison optimale des actionneurs pour aboutir au mode de conduite désiré. 9

10 Démarche de travail Durant la première année de la thèse, on s est limité au plan 2D du véhicule les sous-systèmes concernés sont alors : Braquage & Freinage Une fois la conception du système de contrôle est terminée, la suspension est introduite par une étude du modèle 3D. Les trois sous-systèmes seront combinés pour répondre à l objectif du contrôleur global de châssis. 10

11 Démarche de travail Véhicule ρ modèle de référence Direct Yaw Moment Active Front Steering Actionneur de freinage Actionneur de freinage Schéma du contrôleur global de la dynamique latérale 11

12 Modèle de référence C est le modèle bicyclette linéaire pour générer les valeurs de référence : On considère la vitesse comme un paramètre variable, donc le modèle est LPV. Pour rester dans les zones stables, les variables d état doivent être limitées par les limites supérieurs : 12

13 Modèle de synthèse C est le même modèle bicyclette en ajoutant les perturbations et les entrées de commande : L angle de braquage additif sera ajouté à l entrée de braquage du conducteur et appliqué sur les roues avant. Le moment direct de lacet sera transformé en un couple de freinage différentiel : (ensuite en 1 couple de freinage positif appliqué sur 1 des roues arrières) 13

14 Synthèse des lois de commande Le mode glissant d ordre supérieur est utilisé pour la synthèse des deux contrôleurs. On contrôle la vitesse de lacet par le braquage actif et l angle de dérive par le freinage différentiel, les surfaces de glissement convenables sont respectivement : En dérivant les deux surfaces, on obtient un système de degré relatif 1 : 14

15 Synthèse des lois de commande L algorithme de Super-twisting est appliqué conçu pour les systèmes d ordre 1, pour éviter le phénomène de Chattering. Chacune des commandes et est calculée (indépendamment) comme étant la somme: avec : et où : 15

16 Modèle des actionneurs Le freinage électromécanique et le braquage actif (moteur électrique) sont modélisés par des filtres passe bas de 1 er ordre : fréquence de coupure f=10 hz ; suivi d une saturation de 5 degrés pour le braquage et de 1200 N.m pour le freinage. Les équations modélisant les actionneurs : 16

17 Stratégie de commutation Plusieurs stratégies d activation et de désactivation du braquage actif et du freinage différentiel ont été testées sur le système contrôlé. La stratégie adoptée finalement est basée sur l index de stabilité S.I. = ; ( en rad, =1 ) 17

18 Stratégie de commutation Le braquage actif est activé par défaut, et la commande de freinage est multipliée par un gain variable ρ selon le diagramme suivant : 18

19 Entrée de braquage en degrés Résultats de simulation Validation sur un modèle bicyclette avec les forces de Dugoff par simulation sur Matlab/Simulink avec : Vitesse longitudinale constante V=105 km/h Coefficient de frottement µ=1 (type de chaussée l asphalte sec) Essai Double lane change, entrée de braquage du conducteur: temps en seconde 19

20 angle de dérive en (rd) vitesse de lacet en (rd/s) Résultats de simulation temps en (s) modèle de référence véhicule commandé véhicule non commandé temps en (s) Vitesse de lacet et angle de dérive en fonction du temps 20

21 Moment correctif en (N.m) Angle de braquage additif en degrés 5 Résultats de simulation temps en (s) temps en (s) Entrées de commande en fonction du temps 21

22 gain index de stabilité 1.5 Résultats de simulation temps en (s) temps en (s) Index de stabilité et le gain variant en fonction de temps 22

23 Conclusion Elaborer de nouvelles lois de commande en se basant sur le mode glissant d ordre supérieur. Choisir une stratégie de combinaison entre le freinage différentiel et le braquage actif en : activant le braquage actif par défaut, activant le freinage différentiel selon la valeur de SI. Réduction de l erreur de la vitesse de lacet et de l angle de dérive. 23

24 Perspectives En cours d achèvement : Valider le contrôleur sur un modèle plan quatre roues avec dynamique des roues. Court et moyen terme : Etude de la stabilité par une commande couplée lacet/roulis. Etude des systèmes de suspension Elaboration de nouvelles lois de commande pour la suspension. Intégrer la suspension dans le contrôleur global de châssis. Long terme : Validation du contrôleur global de châssis sur un modèle 3D complet. 24

25 Planning prévisionnel Novembre Janvier2014 Stabilisation du châssis en 3D par une commande couplée lacet/roulis. Etudier les différents systèmes de suspension et la proposition de nouvelles stratégies de combinaisons Février Septembre 2014 Elaboration de nouvelles lois de commande de la suspension. Validation sur un modèle 3D complet (Matlab/Simulink). Publication Octobre Mars 2015 Validation expérimentale des stratégies et commandes proposées Avril Septembre 2015 Rédaction du mémoire Soutenance Publication 25

26 Crédits validés LC16 : Veille documentaires et gestion d archives (2 crédits) LC73 : Niveau B3 anglais (4 crédits) UED05 : Commande référencée capteurs ( 4 crédits) Ecole en Modélisation, Analyse et Conduite des Systèmes dynamiques (MACS) (module sur approximation de modèles de grandes dimensions) Strasbourg, 07/

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