Contrôle de la trajectoire d un véhicule automobile

Contrôle de la trajectoire d un véhicule automobile Guillermo Pita Gil, doctorant CIFRE en collaboration avec Renault Encadrants : Emmanuel Godoy, Didier Dumur GT MOSAR 3 Janvier 009

Objectif : contrôler la trajectoire d un véhicule automobile afin de sécuriser la conduite. Différentiel piloté Angle roue Moteurs aux roues Modèle de différentiel Freinage découplé Contrôle de la dynamique longitudinale et latérale GT MOSAR 3 Janvier 009

Systèmes commercialisés aujourd hui Honda Legend: SH-AWD. Mitsubitsi Evo: torque distribution. Subaru Impreza: torque distribution AWD. BOSCH & BMW X5: ESP with DWT-B (Dynamic Wheel Torque control by Brake. GT MOSAR 3 Janvier 009 3

Sommaire :. Nouvelle structure de commande. Observateurs 3. Guidage 4. Pilotage 5. Résultats de simulation 6. Conclusions 7. Perspectives GT MOSAR 3 Janvier 009 4

.- Nouvelle structure de commande Guidage : interprétation de la volonté du conducteur et génération des consignes de vitesse longitudinale et de lacet. Observateurs : estimation de l état réel du véhicule grâce aux mesures et à des modèles internes. Pilotage : assure (dans la mesure du possible le suivi des consignes de vitesse. Sens conducteur Guidage Consignes Pilotage Couples moteur et freins Mesures Observateurs GT MOSAR 3 Janvier 009 5

Sommaire :. Nouvelle structure de commande. Observateurs 3. Guidage 4. Pilotage 5. Résultats de simulation 6. Conclusions 7. Perspectives GT MOSAR 3 Janvier 009 6

Sens conducteur.- Observateurs Guidage Consignes Pilotage Couples moteur et freins Mesures Observateurs Entrées et sorties : Vitesses des roues Accélération longitudinale Accélération latérale Mesure vitesse de lacet Rapport boîte de vitesses Angle volant Observateurs Angle de dérive Vitesse longitudinale Efforts latéraux GT MOSAR 3 Janvier 009 7

.- Observateurs Estimation de l angle de dérive : le modèle bicyclette d dt ( D + D β m ψ & D l J z D l CoGvCoG mcogvcog Dl Dl Dl. β y ψ 0 δ w ψ & [ 0 ] + [ ][ ] J D l z v CoG D β mcogv + ψ & Dl J z CoG [ δ ] w v CoG Im{ },4 0 3 Re{ } GT MOSAR 3 Janvier 009 8

.- Observateurs Structure de l observateur : En imposant :. Im. Re On obtient : K k k xˆ& A( v zˆ Cxˆ CoG xˆ + B( v CoG u + K( v CoG ( z zˆ { vp( A( vcog K( vcog C } 0 { vp( A( v K( v C } χ Re{ vp( A( v } ( v CoG CoG a χ Re CoG [( χ Re{ vp( A( vcog } a a + a a + a k ( v ] CoG CoG ( vcog ( vcog ( D + D ( D l + D l { vp( A( vcog } mv CoG I zz v CoG GT MOSAR 3 Janvier 009 9

Sommaire :. Nouvelle structure de commande. Observateurs 3. Guidage 4. Pilotage 5. Résultats de simulation 6. Conclusions 7. Perspectives GT MOSAR 3 Janvier 009 0

Sens conducteur 3.- Guidage Guidage Consignes Pilotage Couples moteur et freins Mesures Observateurs Entrées et sorties : Pédale accélération RV / LV Ou Guidage Pédale accélération Pédale embrayage Vitesse longitudinale Génération consigne vitesse longitudinale Consigne vitesse longitudinale Rapport boîte de vitesse Angle de dérive Mode de conduite Eco, Sport, automatique Génération consigne vitesse de lacet Consigne vitesse lacet GT MOSAR 3 Janvier 009

3.- Guidage Génération de la consigne de vitesse longitudinale u ref k + u est k + γ ref l T e Guidage Génération consigne vitesse longitudinale Génération consigne vitesse de lacet Pédale d accélération Pédale de frein Pédale embrayage Rapport de BV Interprétation volonté conducteur ref l γ + Te + Consigne vitesse longitudinale Vitesse longitudinale GT MOSAR 3 Janvier 009

3.- Guidage Loi d interprétation de la volonté conducteur : Décélération Souhaitée GT MOSAR 3 Janvier 009 3

3.- Guidage Génération de la consigne de vitesse de lacet : Guidage Génération consigne vitesse longitudinale Génération consigne vitesse de lacet Neutre : ψ& neutral ref u α L cos( β wheel Sous/Sur vireur : ψ& sous / sur ref u cos( β L(cos ( β + Ku α roue K mg l L D l D ; et K > 0 sous vireur K < 0 sur vireur GT MOSAR 3 Janvier 009 4

Sommaire :. Nouvelle structure de commande. Observateurs 3. Guidage 4. Pilotage 5. Résultats de simulation 6. Conclusions 7. Perspectives GT MOSAR 3 Janvier 009 5

4.- Pilotage Sens conducteur Guidage Consignes Pilotage Couples moteur et freins Mesures Observateurs A. Obtention du modèle Q-LPV pour la commande B. Synthèse des lois de commande:. Q-LPV H.. Retour linéarisant plus H. 3. Retour linéarisant plus Pis optimisés. GT MOSAR 3 Janvier 009 6

4.A.- Obtention du modèle Q-LPV pour la commande Couple moteur Couples frein Modèle non-linéaire pour la commande Vitesse longitudinale Vitesse de lacet Hypothèses simplificatrices : Pas d effets aérodynamiques, Pas de pente sur la route, Pas de couplage en roulis. Ces limitations nous obligent à synthétiser des correcteurs qui rejettent de façon efficace les perturbations additives sur les commandes. GT MOSAR 3 Janvier 009 7

4.A.- Obtention du modèle Q-LPV pour la commande Principe fondamental de la dynamique : GT MOSAR 3 Janvier 009 8

4.A.- Obtention du modèle Q-LPV pour la commande Formulation sous forme Quasi-LPV : ~ θ <,635 θ 0 <,846 GT MOSAR 3 Janvier 009 9

4.A.- Obtention du modèle Q-LPV pour la commande Modèle des actionneurs : Le système de freinage : freins électro-mécaniques Principe de fonctionnement : chaque étrier est composé d un moteur asynchrone et d un système vis-écrou qui serre les plaquettes de frein contre les disques. Une boucle interne permet d asservir l effort de freinage. Modélisation : retard de 0 ms, premier ordre avec une constante de temps de 30 ms et une saturation à 000 Nm. Le groupe motopropulseur : F4RT : moteur essence litres turbocompressé, 00 chevaux. Modélisation : retard de 0 ms, premier ordre avec une constante de temps et saturation variables en fonction du régime moteur. Modélisation/Identification du différentiel GT MOSAR 3 Janvier 009 0

4.- Pilotage Sens conducteur Guidage Consignes Pilotage Couples moteur et freins Mesures Observateurs A. Obtention du modèle Q-LPV pour la commande B. Synthèse des lois de commande:. Q-LPV H.. Retour linéarisant plus H. 3. Retour linéarisant plus Pis optimisés. GT MOSAR 3 Janvier 009

4.B..- Correcteur Polytopique Quasi-LPV H : Schéma de synthèse : O O 3 u ref ψ& ref + - + - W ( s W ( s K(θ W ( s + + W ( s + + W 3 I 3 S(θ W I 3 4 u m ψ& m O O Correcteur polytopique d ordre 6 GT MOSAR 3 Janvier 009

4.B..- Correcteur Polytopique Quasi-LPV H : Diagramme de bode du correcteur : GT MOSAR 3 Janvier 009 3

4.B..- Correcteur Polytopique Quasi-LPV H : Valeurs singulières GT MOSAR 3 Janvier 009 4

4.B..- Correcteur Polytopique Quasi-LPV H : La stabilité quadratique à été vérifiée en trouvant une matrice X symétrique définie positive tel que : De plus, les pôles de la boucle fermée aux sommets du polytope sont correctement amortis : GT MOSAR 3 Janvier 009 5

GT MOSAR 6 6 Les marges de stabilités MIMO ont été calculées avec le gain L : 4.B..- Correcteur Polytopique Quasi-LPV H : Les marges de stabilités MIMO sont : < < < < 55,79 ] Marge Phase[ 55,79 3,85 MargeGain[dB] 9,65 ( ( S L T L α α ] [ + + ; arcsin arcsin ; arcsin arcsin Margede phase ; ; Margede gain α α α α α α α -α 3 Janvier 009

4.B..- Correcteur Polytopique Quasi-LPV H : Réduction : Suppression des dynamiques haute fréquence, Compensation des couples pôle-zéro à la même fréquence, Projection sur l axe réel des pôles bien amortis, Remplacement de la pseudo action intégrale par une action intégrale effective. Discrétisation : Transposition des fonctions de transfert du correcteur par transformation bilinéaire analytique : a0 + az +... + anz a, b ~ T kl ( z ; avec a, ( θ, θ0 n i bi f i b + b z +... + b z 0 n n 4 transferts avec une allure PI + avance de phase GT MOSAR 3 Janvier 009 7

4.- Pilotage Sens conducteur Guidage Consignes Pilotage Couples moteur et freins Mesures Observateurs A. Obtention du modèle Q-LPV pour la commande B. Synthèse des lois de commande:. Q-LPV H.. Retour linéarisant plus H. 3. Retour linéarisant plus Pis optimisés. GT MOSAR 3 Janvier 009 8

4.B..- Retour linéarisant : Structure de commande : Pilotage Système linéarisé u ref ψ& ref + - + Correcteur + + + Véhicule Observateurs - + Non-linear Feedback GT MOSAR 3 Janvier 009 9

GT MOSAR 30 30 4.B..- Retour linéarisant : Application au système de freinage : + ψ& & u x h y u u x g x f x ( ~ ~ ( ( + ψ θ ψ β θ & & u x h x h x h x g u u u x f Avec ( ( ( 0 0 ( tan( (, 0 4 r : u x h L f ( 0 0 ( ( 0 0 x h L L x h L L f g f g r r : ψ& ( 0 x h L f ( 0 ( 0 0 x h L L x h L L f g f g r r Il existe un retour d état linéarisant et statique. 3 Janvier 009

GT MOSAR 3 3 4.B..- Retour linéarisant : Application au système de freinage : + ( ( ( ( ( v v x D x h L x h L x D x u f f ( ( ( ( ( Avec, 0 0 0 0 x h L L x h L L x h L L x h L L x D f g f g f g f g Dans cette application l inverse de D(x existe toujours, car : I x h L L x h L L x h L L x h L L x D f g f g f g f g ( ( ( ( ( 0 0 0 0 3 Janvier 009

4.B..- H Boucle «externe» u ψ&ref ref ++- PilotageCorrecteur - +++ + VéhiculeObservateurs Non-linearFeedback Système linéarisé Schéma de synthèse : GT MOSAR 3 Janvier 009 3

4.B..- H Boucle «externe» u ψ&ref ref ++- PilotageCorrecteur - +++ + VéhiculeObservateurs Non-linearFeedback Système linéarisé Diagramme de Bode du correcteur : Réduction, Remplacement de l action intégrale PI filtrés GT MOSAR 3 Janvier 009 33

4.B..- H Boucle «externe» Valeurs singulières : u ψ&ref ref ++- PilotageCorrecteur - +++ + VéhiculeObservateurs Non-linearFeedback Système linéarisé GT MOSAR 3 Janvier 009 34

4.B..- H Boucle «externe» Marges de stabilité : GT MOSAR 3 Janvier 009 35

4.- Pilotage Sens conducteur Guidage Consignes Pilotage Couples moteur et freins Mesures Observateurs A. Obtention du modèle Q-LPV pour la commande B. Synthèse des lois de commande:. Q-LPV H.. Retour linéarisant plus H. 3. Retour linéarisant plus Pis optimisés. GT MOSAR 3 Janvier 009 36

4.B.3.- Correcteur de structure imposée ++- (PI +++ mono. : + Non-linearFeedback linéarisé u ψ&ref ref Structure imposée : PilotageCorrecteur - VéhiculeObservateurs Système GT MOSAR 3 Janvier 009 37

4.B.3.- Correcteur de structure imposée (PI mono. : Evolution des réponses temporelles : GT MOSAR 3 Janvier 009 38

4.B.3.- Correcteur de structure imposée (PI mono. : Marges de stabilité : GT MOSAR 3 Janvier 009 39

Sommaire :. Nouvelle structure de commande. Observateurs 3. Guidage 4. Pilotage 5. Résultats de simulation 6. Conclusions 7. Perspectives GT MOSAR 3 Janvier 009 40

5.- Résultats de simulation : modèle de simulation MADA Modèle de simulation : MADA Modèle développé par RENAULT, l INRETS et PSA. Modèle très non-linéaire, très fin : un modèle différent par véhicule de la gamme Renault. Le modèle prend en compte : les non-linéarités des pneus (glissements, moments d auto-alignement, etc. les forces et les moments aérodynamiques, la géométrie précise des trains (effets Brouilhet, braquages induits et micro-braquages, carrossage, etc., Les caractéristiques tridimensionnelles (pour chaque roue de la route (base de données de routes réelles, Le modèle permet aussi de rajouter un modèle de conducteur dans les simulations. Le modèle utilisé pour les simulations est une LAGUNA II GT. GT MOSAR 3 Janvier 009 4

5.- Simulations MADA Scénario # : échelon de vitesse longitudinale Suivi de consigne sans erreur statique, Dépassement < 5% de la valeur finale, Découplage efficace, Bon rejet de perturbations dues aux conditions initiales. Q-LPV H RL+H RL+PIs GT MOSAR 3 Janvier 009 4

5.- Simulations MADA Scénario # : échelon de vitesse de lacet Couple moteur Augmentation du couple moteur Couple de freinage t 0 sec t 5 sec GT MOSAR 3 Janvier 009 43

5.- Simulations MADA t 0 sec Scénario # : échelon de vitesse de lacet t 5 sec Suivi de consigne sans erreur statique, Découplage efficace, Bon rejet de perturbations dues aux conditions initiales. Q-LPV H RL+H RL+PIs GT MOSAR 3 Janvier 009 44

5.- Simulations MADA Scénario #3 : consignes en vitesse longitudinale et de lacet Suivi de consigne sans erreur statique, Découplage efficace, Bon rejet des perturbations dues aux conditions initiales. Q-LPV H RL+H RL+PIs GT MOSAR 3 Janvier 009 45

5.- Simulations MADA : rond-point Q-LPV H RL+H RL+PIs GT MOSAR 3 Janvier 009 46

5.- Simulations MADA Amélioration de la stabilité dans un rond-point 85 Vitesse longitudinale max (km/h 80 75 70 65 60 55 50 45 5 km/h Le conducteur compense l angle volant LF+PIs LF+H H Q-LPV 40 35 45 55 65 75 85 95 05 Angle volant ( GT MOSAR 3 Janvier 009 47

5.- Simulations MADA Implications sur l accélération transversale : Gamma_t (R 7 6,5 Gamma_t max 6 5,5 5 4,5 4 78,7337039 6,00584 50,075609 4,359536 36,6888046 3,354768 8,93646 6,58833 Rayon trajectoire GT MOSAR 3 Janvier 009 48

Sommaire :. Nouvelle structure de commande. Observateurs 3. Guidage 4. Pilotage 5. Résultats de simulation 6. Conclusions 7. Perspectives GT MOSAR 3 Janvier 009 49

6.- Conclusions Les correcteurs assurent le découplage du suivi de consigne de vitesse longitudinale et de vitesse de lacet, Le choix de génération des vitesses de consigne permet de modifier la dynamique angulaire du véhicule. On peut typer le véhicule en fonction de l état d esprit du conducteur : Sportif, Neutre, Sécurisant. GT MOSAR 3 Janvier 009 50

6.- Conclusions Le conducteur ne doit plus rajouter (enlever de l angle volant pour compenser le comportement naturellement sous (sur vireur du véhicule. Augmentation du plaisir de conduite. La stabilité du véhicule est améliorée pour toute condition d adhérence. On peut rouler 5-0% (en fonction de l adhérence plus vite dans un rondpoint avant de perdre le contrôle du véhicule. GT MOSAR 3 Janvier 009 5

Sommaire :. Nouvelle structure de commande. Observateurs 3. Guidage 4. Pilotage 5. Résultats de simulation 6. Conclusions 7. Perspectives GT MOSAR 3 Janvier 009 5

7.- Perspectives Test des lois de commande sur véhicule réel : Essais préliminaires : utilisation du freinage dissymétrique et d un modèle de différentiel pour contrôler le couple moteur sur chaque roue avant. Base pour les essais : Velsatis munie d un système de freinage hydraulique qui permet d appliquer une pression de freinage indépendante sur chaque étrier. Outil de prototypage rapide : Dspace avec une micro-autobox. Lieu des essais : Centre technique d Aubevoye (CTA Renault. GT MOSAR 3 Janvier 009 53

7.- Perspectives Outil de mise au point des lois de commande : Les personnes qui réalisent la mise au point des lois de commande ne sont pas familiarisés avec tout correcteur non-pid. D où le besoin d introduire une étape intermédiaire qui facilite la tâche des metteurs au point : GT MOSAR 3 Janvier 009 54

7.- Perspectives Outil de mise au point des lois de commande : Idée : utiliser des algorithmes d optimisation par essaims particulaires pour faire le choix des filtres de pondération (dans le cas d une commande H qui optimisent des critères «classiques» pour les metteurs au point. Avantages : l avantage d utiliser cette méthode d optimisation est qu il existe un jeu de paramètres de réglage standard qui évite d avoir besoin de metteurs au point avec des connaissances en réglage d algorithmes d optimisation. GT MOSAR 3 Janvier 009 55

7.- Perspectives Synthèse d actions anti-windup robustes : Dans le domaine automobile, les actionneurs sont rarement surdimensionnés (car coûteux. C est le cas du groupe motopropulseur. Dans les simulations nous avons utilisé des techniques d antiwindup «classiques» qui ne prennent pas en compte le caractère LPV de notre système. Une piste pour la suite est de construire des actions anti-windup robustes qui soient aussi LPV. GT MOSAR 3 Janvier 009 56

Merci de votre attention. Des questions? GT MOSAR 3 Janvier 009 57

Identification du différentiel : Modélisation à partir du PFD : GT MOSAR 3 Janvier 009 58

Identification du différentiel : Modèle physique : Relations cinématiques: Ω3 + Ω 4 n Ω m R Ω ( 5/ 6 k Ω3 Ω4 R Relations dynamiques: J Ω& C χ ( C + C 4 m m r3 r I z k J & & ( Ω 3 Ω4 Cr3 Cr 4 J l m n R b L R R p I + y n R L R R p 4nl Rp R J + LR axeroue χ lr R LR R p p GT MOSAR 3 Janvier 009 59

GT MOSAR 60 60 Identification du différentiel : 3 Janvier 009 Modèle physique : + Cx y Bu Ax x& Ω Ω 4 3 x 4 3 r r m C C C u Ω Ω Ω m y 4 3 0 0 0 0 A d c a b b a B e e C 0 0 + nr R e kj I JR nr d kj I JR nr c JR nr b J R nr a axeroue z axeroue z χ χ χ

Identification du différentiel : Recalage des paramètres : Essais avec véhicule sur pont : meilleure connaissance des efforts appliqués sur les roues. Rapport 3 4 5 6 BV αˆ.365e-00.530e-00 3.609e-00 4.837e-00 5.9495e-00 7.068e-00 var(α ˆ 9.395e-007.0988e-006.7809e-006.005e-006 4.445e-006.99e-005 Rapport BV Ĵ var(j ˆ 3 4 5 6 8.06e-00.0777e-00.355e-00.837e-00.859e-00.8393e-00 7.9633e-005.580e-005 8.33e-005.9666e-004.6647e-004 8.5445e-005 χˆ.9686e-00 3.6375e-00 7.0756e-00 6.855e-00.970e-00.970e-00 var(χ ˆ 8.80e-005.98e-005.0739e-005 4.094e-005 8.9430e-004 8.9430e-004 Rapport BV Ĵ rel var( J ˆ rel 3 4 5 6 5.5736e+000 4.67e+000 4.303e+000 4.6447e+000 6.396e+000.9636e+00 9.5893e-00.80e-00 4.069e-00 5.038e-00.66e-00.8539e+00 GT MOSAR 3 Janvier 009 6

Identification du différentiel : Modèles boîte noire : Type ARX: A ( q y( t B( q u( t + e( t A n x n y y R, B R n x n y u Avec, u(t le vecteur des n u entrées, y(t le vecteur des n y sorties, e(t un bruit blanc. Type représentation d état : x& y Ax Cx + + Bu + Ke Du + e Modèles boîte grise : x& y Ax Cx + + Bu + Ke Du + e A 0 0 0 0 B a a b c b d 0 C 0 e e GT MOSAR 3 Janvier 009 6

Identification du différentiel : Conclusions : Le modèle qui offre un meilleur compromis «représentativité/compléxité» est le modèle «boîte grise». Retour GT MOSAR 3 Janvier 009 63