Résumé des travaux
de thèse
Développement d’un système de pesage embarqué
pour poids lourd
Auteur : Omar KHEMOUDJ
Contact :
Tél. 01 40 43 65 08 E-mail. omar.khemoudj@lcpc.fr
Laboratoire
Exploitation, Perception, Simulateurs et Simulations - LEPSIS –UMR : LCPC-INRETS
Date de
début de thèse : 1.11.2007 Date
de fin : 31.10.2010
Conseiller
d’études : Docteur H. Imine Directeur
de thèse : Professeur M. Djemai
Ecole
doctorale : sciences pour l’ingénieur (Lille)
Etablissement
d’inscription : Université de Valenciennes et du Hainault-Cambrésis
1. Objectifs du travail de thèse:
- Proposer une solution de pesage avec moins de
capteurs possible, peu coûteuse et
simple à installer.
- Exploiter de la façon la
plus efficace les mesures des capteurs de série (capteur déjà installés dans le
poids lourd).
- La méthode à développer doit être fonctionnelle
en ligne droite et en virage.
- Utiliser les forces estimées pour une application
d’aide à la conduite.
2. Méthode et plan de la thèse
La méthode proposée dans ce
travail de thèse est basée sur l’utilisation des techniques de l’automatique (observateurs
d’état) en vue de reconstituer en temps réel les forces d’impact dynamiques du
poids lourd à partir de mesures de capteurs embarqués dans le véhicule. La
méthode est validée sous simulateur Prosper/Callas. Une méthode d’alerte et de
contrôle actif basée sur les forces d’impact estimées (indicateurs de la
stabilité de véhicule) est également proposée.
En
première partie, un état de l’art est établi. Les différents systèmes existants
y sont exposés notamment ceux concernant les techniques de pesage (embarqué ou
sur chaussée, statique et dynamique), cette partie englobe également un état de
l’art sur les méthodes d’estimation utilisées (mode glissant, observateurs à
entrées inconnues), enfin, un chapitre sur l’état de l’art des méthodes de
contrôle actif sur poids lourd est également présentée. Le contrôle actif
anti-renversement sera l’objet d’un cas d’application.
Les conclusions sur cet
état de l’art sont les suivantes :
-
Pesage embarqué de la charge statique : problème résolu par
l’utilisation de capteurs de pression ou de jauges de déformation.
-
Pesage embarqué de la charge dynamique : problème partiellement
résolu
o
En ligne droite vitesse faiblement variable : problème résolu à
l’aide de l’utilisation des jauges.
o
En virage : non étudié.
§
Une seule jauge pour la mesure de l’effort tranchant ne fonctionne pas
en virage déformations parasites
§
Solutions possibles : utiliser plusieurs jauges ainsi que les
techniques des éléments finis.
§
inconvénient : instrumentation compliquée, soudure des jauges et
étalonnage sur banc d’essai, système peu pratique.
Pour répondre aux objectifs tracés, une méthode
basée sur les techniques d’observation est utilisée.
3. Traitement de la
problématique
3.1. Etape
de modélisation et justification:
En premier lieu, nous nous intéressons à la partie
modélisation de la dynamique du poids lourd. Il existe dans la littérature une
multitude de modèles destinés chacun à une application bien précise.
Dans notre travail, on s’intéresse à l’estimation
des forces verticales, il convient donc de s’appuyer sur un modèle pouvant
décrire au mieux ces forces et s’affranchir au maximum de l’utilisation de
paramètres du véhicule qui sont souvent mal connus ou difficiles à mesurer.
L’essieu constitue la partie commune à tous les
types de poids lourds. On s’intéresse tout particulièrement à sa
dynamique qui est fonction des forces de suspension, des forces latérales
et verticales des roues.
Les forces de suspension peuvent être déduites
soient à partir des débattements de suspension mesurés par des capteurs LVDT
(mais dans ce cas il faut connaître les paramètres de raideur et
d’amortissement de la suspension) ou bien à partir de capteurs de pression
connectés aux coussins de suspension. Les forces latérales sont déterminées à
l’aide d’un modèle dans le plan de lacet.
|
1)
Modélisation de l’essieu sur le plan vertical + 2)
Modélisation du châssis sur le plan de lacet = Modèle global du véhicule. |
L’idée : Nous avons besoin de la
force latérale totale appliquée sur chaque essieu. Pour cela, nous faisons
appel à un modèle bicyclette qui répond à cette problématique. Nous écrivons un
modèle bicyclette pour le tracteur et un modèle bicyclette augmenté pour la
semi remorque. Le modèle a les forces longitudinales, latérales et de sellette
(pour le véhicule articulé) en entrée et les accélérations latérales et en
lacet en sortie.
3.2. Estimation
des forces d’impact : inversion explicite du modèle
Les mesures des accélérations sont données par les
capteurs en série dans le tracteur. Par contre, il faudra installer un
gyromètre ou bien des accéléromètres (ce sont des capteurs qui ne sont pas
coûteux). Pour l’accélération en lacet du tracteur, cette mesure n’est pas
disponible par contre nous avons accès à la vitesse de lacet. Nous avons
proposé d’utiliser un différentiateur numérique de type Sliding Mode. Les
sorties étant à présent parfaitement connues, on utilise une inversion de
modèle pour aboutir aux forces de contact qui sont des entrées inconnues du
modèle. Nous nous assurons de l’inversibilité du modèle à l’aide de l’outil de
calcul symbolique.
3.3. Estimation
des forces d’impact : inversion implicite du modèle
L’inversion explicite implique une inversion de
matrice. Cette dernière étant à paramètres variables, l’inversion peut
engendrer des erreurs dans le cas de matrices mal conditionnées. A cet égard,
nous proposons une seconde méthode permettant une inversion implicite du
modèle. Pour ce faire, nous utilisons un observateur à mode glissant.
L’originalité de la méthode est que l’on a introduit un gain variable pour
l’observateur permettant d’assurer la convergence de l’observateur en présencet
de variation dans les paramètres du modèle, ces paramètres dépendant des entrées
connues du système.
3.4 Validation de la
démarche
La démarche est validée à l’aide du logiciel de
simulation Prosper/Callas. Il s’agit d’un logiciel développé par sera-cd
permettant de réaliser en simulation différentes manœuvres d’un véhicule poids
lourd. Une simulation du véhicule en chicane a été faite pour exciter le
mouvement latéral et augmenter le transfert de charge. Différents chargements
du véhicule ont été utilisés pour évaluer la validité de la méthode. Les
forces estimées sont comparées à celle données par le simulateur ce qui permet
de valider l’approche proposée.
4. Expérimentation
Une expérimentation a été réalisée dans le cadre de
cette thèse en partenariat avec l’Australian Road Research Board. Les tests ont
eu pour support l'Accelerated Loading
Facility. L'ALF, est un manège de fatigue permettant de reproduire l'effet de
passages successifs de charge d'un point lourd sur une portion de chaussée, ce
qui permet d'évaluer la réaction et la durée de vie d'un enrobée de chaussée.
L'ALF est muni d'un système de suspension pneumatique équivalent à celui
installé sur poids lourd. Cette expérimentation permet de valider le modèle et les
algorithmes d’estimation. Un plan d’instrumentation est également proposé pour
de futurs tests sur un véhicule. Ce plan indique l’emplacement des différents
capteurs dans le véhicule ainsi que la façon de régler les paramètres du
véhicule.
5. Cas d’application
Un
cas d’application de la thèse concerne le développement d’une méthode de
contrôle actif pour alerter le conducteur en présence de risque de renversement
et de l’assister en vue d’éviter le renversement du véhicule. Le système est
basé sur les forces d’impact estimées permettant de quantifier le degré de
stabilité de la remorque et sa tendance au renversement.
Publications :
Ces
travaux de thèse ont fait l’objet de publications, citées ci-dessous
Conférences
n
O. Khemoudj, H. Imine, M. Djemaï « Unknown input observation via
sliding modes: application to vehicle contact forces», IEEE Multi-conference on Systems and Control
2009, CCA,
8-10 juillet, 2009, Saint Petersburg, Russie
n
O. Khemoudj, H. Imine, M. Djemaï, « Robust observation of
tractor-trailer vertical forces using model inverse and numerical
differentiation », SAE, World Automotive
Congress, 12-15 avril, 2010, Detroit, USA
n
O. Khemoudj, H. Imine, M. Djemaï, B. Jacob, « Control theory approach for on-board estimation and monitoring
of heavy duty vehicle dynamical tyre»,
HVTT, INTERNATIONAL HEAVY VEHICLE SYMPOSIUM, 15-17
mars 2010, Melbourne, Australie.
n
O. Khemoudj, H. Imine, M.
Djemaï, « Estimation des forces d’impact des véhicules poids lourds par
différentiateurs exacts et modèle inverse », CIFA,
Conférence internationale francophone d’automatique, 2-6 juin 2010, Nancy,
France
n
O. Khemoudj, H. Imine, M.
Djemaï, « Nouvelle approche pour l’estimation des forces d’impact d’un
poids lourd», accepté pour
Conférence Sécurité Routière : Prévention des Risques et Aides à
n
O. Khemoudj, H. Imine, M. Djemaï, L. Fridman, « Variable gain
sliding mode observer for heavy duty vehicle contact forces », accepté pour Variable structure
systems conference, VSS, 26-28 juin
2010, Mexico, Mexique
Revue
n
O. Khemoudj, H. Imine, M
Djemaï, K Busawon « Robust observation of tyre forces for heavy duty
vehicles », en cours de
soumission à IJHVS, International
Journal of Heavy Vehicle Systems