Estimation des caractéristiques de l’infrastructure

La thématique de la recherche développée dans le cadre de mon stage de DEA et de la thèse de doctorat est l'automatique appliquée à l'automobile et à l'interaction véhicule avec la route afin de caractériser une surface de chaussée. C'est une recherche qui associe étude théorique et évaluation expérimentale. Afin de concevoir une méthode de relevé 3D des surfaces de chaussée, on a réduit en première approche cette méthode en un problème 2×2D. Pour reconstruire le profil 2×2D, des méthodes géométriques de changement de repère sont développées. Elles consistent à exploiter les mesures obtenues à partir d'un véhicule instrumenté équipé des capteurs suivants:

- deux capteurs laser (droit et gauche) mesurant la distance de la caisse à la route,

- une centrale inertielle donnant les trois positions angulaires de la caisse,

- un accéléromètre mesurant l'accélération verticale de la caisse,

- un capteur de position en x, y de la caisse (GPS différentiel).

D'autres méthodes de référence sont exploitées au LCPC:

1. Mesure donnée par APL (Analyseur de Profil en Long): appareil de mesure développé au LCPC.

2. Méthode inertielle (utilisant les accéléromètres et les capteurs laser, General Motors).

3. Utilisation de la règle: c'est une méthode qui est très précise mais qui reste très lourde et peut nécessiter beaucoup de temps pour relever un profil sur une longue distance.

Il est à noter toute fois, qu'hormis la méthode inertielle, les autres méthodes ne tiennent pas compte de la dynamique du véhicule. Elles se basent essentiellement sur l'étude et le traitement des mesures capteurs. Leur précision reste alors tributaire du type et du nombre de capteurs nécessaires pour extraire l'information voulue.

La nouvelle approche qui rentre dans le cadre d'une collaboration de recherche entre le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) et le Laboratoire de Robotique de Versailles (LRV), qui a fait l'objet de mon travail de thèse, a permis de développer un estimateur de profil de route, rapide, précis et économique (réduction du nombre de capteurs). Cette méthode utilise le principe des observateurs non linéaire robustes par modes glissants à entrées inconnues partant des mesures disponibles: débattements et vitesses afin d'estimer les deux profils, droit et gauche, parcourus par les roues du véhicule. Nous avons au préalable étudié la faisabilité de ce principe d'estimation sur une remorque instrumentée à l'arrêt. Des signaux d'excitation de la remorque (constituant donc les entrées inconnues à estimer) sont générés. Les capteurs enregistrent les dynamiques de la remorque. Nous avons développé des observateurs pour reconstituer les entrées supposées inconnues, représentant les deux profils gauche et droit de la chaussée. Nous avons pu remarquer que l'estimation était de qualité. Cependant, afin de remonter vers un profil 3D de la chaussée, nous avons besoin des quatre traces de roulement du véhicule sur la route.

La mise au point d'un tel estimateur nécessite d'abord le développement d'un modèle dynamique complet du véhicule. Nous avons alors dans un premier temps développé un modèle du véhicule constitué de 32 ddl (degrés de liberté) pour représenter au mieux le comportement du véhicule. Cette modélisation a utilisé des techniques de la robotique (méthode de Lagrange), puisqu'on a découpé le système en cinq sous blocs. Après avoir réalisé et simulé le modèle sous le logiciel de calcul Matlab-Simulink, une deuxième étape consistait à valider celui-ci sur des mesures réelles effectuées par le LCPC (centre de Nantes) sur une 406 équipée de différents capteurs, roulant à une vitesse constante sur la piste LCPC. Cette compagne d'essais a permis d'enregistrer la dynamique du véhicule (accélérations, vitesses, positions…). Cette validation du modèle est précédée par une étape intermédiaire qui est celle du traitement des signaux délivrés par les capteurs afin d'enlever les bruits et de rendre ces signaux plus cohérents et exploitables. On a à cet effet, réalisé plusieurs filtres (filtre passe haut, passe bas …).

Mon séjour au LCPC à Nantes, dans l'équipe SCDV (surface des chaussées et dynamique du véhicule), m'a permis d'avoir une bonne expérience dans le domaine d'instrumentation puisque j'ai contribué au choix des capteurs, à l'installation de ces derniers dans le véhicule ainsi qu'a leur analyse avec le logiciel Labview. J'ai aussi développé durant cette période, la méthode inertielle de General Motors et comparé ses résultats aux profils mesurés par l'Analyseur du Profil en Long (APL). Ce travail a été précédé par l'identification des différentes composantes physiques de cet appareil dynamiques (APL).

Du concept théorique à la réalisation pratique, l'intérêt de cette nouvelle approche sur l'estimation du profil de route a été démontré en comparant les résultats expérimentaux aux mesures de référence données par l'APL. Les paramètres utilisés dans notre modèle du véhicule sont considérés constants et connus. Cependant quelques paramètres (tels que les coefficients intervenant dans le calcul de l'adhérence) dépendent du type et de l'état de la chaussée. Notre idée consiste alors à estimer ces paramètres en ligne en les considérant comme des états inconnus. Ce type d'estimation utilise un autre genre d'observateur à mode glissant qu'on appelle adaptatif. Ce travail a permis d'estimer les forces longitudinales du véhicule. Ces profils ainsi estimés par observateurs à modes glissants et par la méthode inertielle sont introduits à l'entrée du modèle dynamique du véhicule. Ceci a permit d'obtenir l'évaluation des charges sur chaque pneumatique. Ces charges sont très importantes quand on veut déterminer les efforts d'interaction pneumatique chaussée. Pour obtenir une bonne évaluation de ces forces de frottement et des couples agissant sur le contact pneu/chaussée, il est nécessaire d'avoir une bonne évaluation des charges des roues. Cela peut être obtenu seulement si les profils de route, entrées du modèle dynamique sont corrects. L'étude de l'influence des autres paramètres tels que la pente et le devers sur le comportement dynamique du véhicule peut être d'un grand intérêt, c'est le travail actuellement en cours. En effet, l'introduction de ces paramètres dans le modèle du véhicule permettra dans un premier temps leur estimation et puis de les intégrer dans notre méthode de reconstruction afin de relever le profil de chaussée en 3D (surface de la route).

Le problème de commande des systèmes non linéaires fait aussi partie de mon un axe de recherche. En effet, des lois de commande basées sur les méthodes à modes glissants sont développées. Le but étant la poursuite de la trajectoire tout en considérant que le signal de retour est l'écart latéral entre la trajectoire de la route et la position du véhicule. L'angle au volant est utilisé comme variable de commande.