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1 Surveillance et commande Tolérante aux Fautes. Application à un véhicule tout électrique Présentée par Abdelwahab Aïtouche Laboratoire d'Automatique,

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1 1 Surveillance et commande Tolérante aux Fautes. Application à un véhicule tout électrique Présentée par Abdelwahab Aïtouche Laboratoire d'Automatique, Génie Informatique et Signal Université des Sciences et Technologies de Lille Hautes Etudes dIngénieur Equipe de Recherche SFSD

2 2 Introduction Automobile est un domaine d'application privilégié Nécessité de rendre les véhicules plus sûrs, moins polluants, moins gourmands en énergie Systèmes d'assistance : ABS, EPS, limiteur et régulateur de vitesse Parking automatique, …. Sur le plan scientifique: développer des algorithmes de commande permettant d'assurer la conduite automatique en toute sécurité et avec des performances dynamiques satisfaisantes. Sur le plan technologique: développer de nouveaux capteurs permettant de mesurer l'environnement du véhicule quelque soient les circonstances (pluie, brouillard, etc.). Enjeux

3 3 Introduction Traiter des données complexes à cause de la multiplication de capteurs Rendre le véhicule sûr de fonctionnement en présence de défaillances de capteurs et/ou dactionneurs Challenge

4 4 Introduction Quelques exemples dapplication en Nord Pas de Calais Véhicules autonomes Le LAMIH a développé instrumenté un véhicule hybride afin de réaliser le suivi automatique d'un véhicule. La plateforme "TRAVEL" Un train de véhicule automatisé "ROBUCAR" a été réalisé au LAGIS Capteurs intelligents

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6 6 Contexte et problématique procédéActionneurscapteurscontrôleur consigne défaut Tolérance aux fautes : Comment le système réagit suite à lapparition dune ou de plusieurs défaillances : de capteur(s) ? dactionneur(s) ? du procédé ? du contrôleur ? Peut-on continuer à atteindre les objectifs fixés au départ ? Phase danalyse du système Phase de mise en place dune commande tolérante aux fautes

7 7 ROBUCAR On suit une trajectoire à la vitesse désirée Actionneurs moteur électrique sur les roues motrices angle de braquage de lessieu arrière angle de braquage de lessieu avant capteur de vitesse pour la roue AvG capteur de vitesse pour la roue AvD capteur de vitesse pour la roue ArG capteur de vitesse pour la roue ArD capteur des angles de braquage Av et Ar centrale inertielle GPS (position du véhicule en x et en y) Capteurs ROBUCAR A B Lapplication sintéresse à laptitude quà un véhicule (RoBuCar) à suivre des objectifs même après la perte dun ou de plusieurs actionneurs. Contexte et problématique

8 8

9 9

10 10 Problématique : En cas de défaillance majeure de certains actionneurs, que se passe-t-il ? Et comment le système peut-il réagir ? Peut-on continuer à suivre les consignes en trajectoire et en vitesse ? Actionneurs moteur électrique sur les roues motrices Angle de braquage de lessieu arrière Angle de braquage de lessieu avant ROBUCAR capteur de vitesse pour la roue AvG capteur de vitesse pour la roue AvD capteur de vitesse pour la roue ArG capteur de vitesse pour la roue ArD capteur des angles de braquage Av et Ar centrale inertielle GPS (position du véhicule en x et en y) Capteurs Contexte et problématique

11 11 Contexte et problématique

12 12 Système non linéaire FDI Commande Pas de composant défaillant détecté Capteurs défaillants détectés et localisés FTE Composants en défaut détectés Actionneurs défaillants détectés et localisés Actionneurs défaillants Actionneurs Sains Capteurs défaillants Capteurs Sains FTC consigne Contexte et problématique Principe de la commande tolérante active aux fautes du point de vue capteurs et actionneurs : défaut 3 Commande défaut 3

13 13 Sommaire Introduction Contexte et problématique 2. Modélisation du véhicule 1. Description du véhicule autonome Conclusion et perspectives 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé 4. Mise en place dun module de surveillance 5. Stratégie et mécanisme de reconfiguration 6. Simulations et résultats

14 14 Description de Robucar Robucar est un prototype de véhicule électrique servant de plate-forme expérimental pour des études dautomatique menées au laboratoire LAGIS de Lille. 4 moteurs de traction 4 moteurs de freinage 2 moteurs pour les directions avant et arrière du véhicule 1 Batteries de 12 volts 60Ah 2 Le châssis 3 Roue avant droite 4 Panneau de contrôle avant 5 Vérin électrique de direction avant 6 Roue avant gauche 7 Batteries 8 Roue arrière gauche 9 Vérin électrique de direction arrière 10 Panneau de contrôle arrière Le véhicule possèdent 10 moteurs à courant continu:

15 15 1. Description de Robucar Les caractéristiques générales du véhicule sont les suivantes : Longueur hors tout : 1,90m Largeur hors tout : 1,20 m Poids total avec batteries : 300 kg motorisation : 4 moteurs électriques de 1 kW 4 roues motrices et directrices Vitesse théorique maximale : 30 km/h Autonomie : 3 heures d'utilisation continue Capacité d'accueil : 2 personnes avec bagages Conduite automatique ou manuelle

16 16 Ce véhicule présente quelques imperfections mécaniques telles que du frottement dans le système de transmission. Le module de traction est présenté plus précisément sur la figure suivante: 1 : interface moteur2 : Biellette de direction3 : moteur de 1200 Watts 4 : roue6 : Amortisseur7 : Encodeur incrémental 1. Description de Robucar

17 17 Encodeur incrémental de mesure de la vitesse des roues 1. Description de Robucar Encodeur absolu de mesure de la longeur de la tige du vérin

18 18 1. Description de Robucar Synoptique de larchitecture matérielle de Contrôle/Commande

19 19 1. Description de Robucar Schéma fonctionnel dun nœud

20 20 1. Description de Robucar Schéma de larchitecture de RobuCar

21 21 ROBUCAR La vitesse du véhicule ne dépasse pas 20 km/h (cest une contrainte de RoBuCar) Environnement non perturbant (absence dobstacle) On étudie le véhicule sur trois degrés de liberté : dynamique longitudinale, latérale et lacet Angle de braquage faible (- de 10°) Hypothèses de modélisation : 2. Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule

22 22

23 23 Schéma du véhicule 2 Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule

24 24 Description des entrées, sorties et états du système : Les entrées de commande (U i couples de traction appliqués sur chacune des roues U f et U r : couple de braquage des roues avants et arrières) Les vitesses de rotation des roues i, les vitesses et positions longitudinales et latérales du véhicule, les angles de braquage des roues avant et arrières et leurs dérivées et la vitesse de lacet du véhicule Les états du système : Les sorties : vitesse de rotation de la roue i : angle de braquage des roues Av et Ar, : coord de la position du véhicule : vitesse de lacet 2 Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule

25 25 Equations du modèle Equations moteur de traction-roue-chaussée Moment dinertie du moteur+roue 1 Coeff de frottement visqueux du système électromécanique sur la roue 1 (roue+moteur) Rayon de la roue Force dimpact longitudinale issue du contact roue1 / chaussée Force dimpact transversale issue du contact roue1 / chaussée 2 Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule

26 26 PFD projeté sur laxe longitudinal et transversal Equations moteur de direction-roue-chaussée Moment dinertie du moteur de braquage +charge Coefficient de frottement visqueux Equation dévolution de la vitesse de lacet Moment dinertie du véhicule autour de laxe de lacet 2 Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule

27 27 Expression des forces dimpact longitudinales et latérales issue des contacts roue / chaussée Les F xi sont des fonctions non linéaires du glissement sur la roue i : G i. Approximation: De même, les F yi sont des fonctions non linéaires de langle de dérive sur la roue i. Forme canonique de F xi en fonction de G i : 2 Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule

28 28 Ecriture des équations sous forme détat Le système peut sécrire sous la forme : Où : Dans la suite, nous nutiliserons pas le moteur de direction arrière 2 Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule

29 29

30 30 3 Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé Loi de commande du véhicule en mode nominal Linéarisation par bouclage linéarisant et commande par retour détat : Avec cette commande, nous suivons des consignes de vitesses de rotation des roues et de dérivées dangle de braquage

31 31 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé En réalité, nous souhaitons suivre une trajectoire à une vitesse désirée. En amont, du système précédent, nous rajoutons un module pour suivre les consignes en trajectoire et vitesse. Loi de commande du véhicule en mode nominal

32 32 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé Module de planification de trajectoire muni dun contrôleur :

33 33 3 Loi de commande du véhicule en modes nominal et dégradé Loi de commande du véhicule en mode nominal

34 34 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé Loi de commande du véhicule en mode nominal

35 35 Langle de lacet 3. Loi de commande du véhicule en modes nominal et dégradé

36 36 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé Lois de commande du véhicule en mode dégradé De même pour chaque défaillance dactionneur, une loi de commande est calculée hors ligne de manière à suivre la trajectoire. exemple: pour une perte de lactionneur de direction avant, le nouveau système à commander est de la forme: où

37 37 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé Exemple de la détermination dune commande sans lactionneur de direction avant: Planification de trajectoire tolérante aux fautes Système linéarisé par bouclage linéarisant et commandé par retour détat Estimateur de la position de RobuCar traj des

38 38 Contrôleur : Soit un PID Soit un contrôleur à mode glissant où la surface de glissement est : 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé k3k3 k3k3

39 39 4. Mise en place dun module de surveillance (détection et localisation des défauts) Méthodes basées sur lintelligence artificielle : diagnostic qualitatif Méthodes basées sur une modélisation des signaux ou du système : diagnostic quantitatif Soit par analyse des signaux Soit par une approche à base de modèle de système : modèle procédé Génération de résidus Evaluation des résidus Analyse des défauts résidus Localisation des défauts défauts Prise de décision

40 40 Mise en place dun module de surveillance (détection et localisation des défauts) Méthodes basées sur une modélisation du système : diagnostic quantitatif modèle procédé Génération de résidus Evaluation des résidus Analyse des défauts résidus Localisation des défauts défauts Prise de décision par les relations de redondances analytiques théorie de lélimination pour générer les résidus En présence de défaillance(s), les caractéristiques des résidus changent soit par des méthodes statistiques soit par un seuillage fixe ou adaptatif Lévaluation des résidus se fait : matrice dincidence

41 41 modèle procédé Génération de résidus Evaluation des résidus Analyse des défauts résidus seuillage Localisation des défauts défauts Prise de décision Exemple de matrice dincidence Analyse des défauts : Mise en place dun module de surveillance (détection et localisation des défauts)

42 42 Génération des résidus : Par identification paramétrique : Mise en place dun module de surveillance (détection et localisation des défauts) modèle procédé Génération de résidus Evaluation des résidus Analyse des défauts résidus Localisation des défauts défauts Prise de décision Par un estimateur détat : par les relations de redondances analytiques : Le système étant non linéaire, nous avons choisi la théorie de lélimination pour générer les résidus

43 43 En présence de défaillance(s), les caractéristiques des résidus changent Système avec défaut à t=75 non détection Système sans défaut fausse alarme Lévaluation des résidus se fait :soit par un seuillage fixe ou adaptatif soit par des méthodes statistiques modèle procédé Génération de résidus Evaluation des résidus Analyse des défauts résidus Localisation des défauts défauts Prise de décision seuillage Exemples de résidus : 4. Mise en place dun module de surveillance (détection et localisation des défauts)

44 44 4. Mise en place dun module de surveillance (détection et localisation des défauts) Grâce à la redondance existante dans les informations suivantes: Connaissance du modèle du véhicule Connaissance de la valeur des entrées du système Connaissance de la valeur des sorties du système Nous pouvons calculer des résidus. Ici, 6 résidus sont calculés en ligne:

45 45 4 Mise en place dun module de surveillance (détection et localisation des défauts) si |R 5 | > seuil_5, lactionneur 5 est en défaut R1R1 R2R2 R3R3 R4R4 R5R5 R6R6

46 46 5. Stratégie et mécanisme de reconfiguration t 0 tftf tata défaut 2

47 47 5. Stratégie et mécanisme de reconfiguration Soit le système sans défaut suivant Pour ce système, une commande est calculée : C N Lorsquun défaut dactionneur apparaît (défaillance 1), le système sécrit : Pour ce cas de défaillance, une commande est calculée : C f1 La commande est calculée afin que le système en défaut ait dans la mesure du possible, des performances similaires en boucle fermée au système sans défaut. De la même manière, pour chaque cas de défaillance, une commande est calculée : C f2, C f 3, …, C f i où en cas de reconfiguration :

48 48 6. Simulations et résultats Simulation du système suite à loccurrence dun défaut sur lactionneur de traction de la roue avant gauche sur lactionneur de direction des roues avant sans considérer de valeurs limites pour les entrées de commande en considérant des valeurs limites pour les entrées de commande

49 49 Trajectoires mesurées et trajectoire désirée Défaut sur lactionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s

50 50 Les entrées de commande (avec le PID) u1u1 u2u2 u3u3 u4u4 u5u5 u6u6 Défaut sur lactionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s

51 51 Les entrées de commande (avec la commande à mode glissant) u1u1 u2u2 u3u3 u4u4 u5u5 u6u6 Défaut sur lactionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s

52 52 Langle de lacet Défaut sur lactionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s

53 53 Trajectoires mesurées et trajectoire désirée Défaut sur lactionneur de direction avant (avec saturation) à t = 21s

54 54 Les entrées de commande (avec le PID) u1u1 u2u2 u3u3 u4u4 u5u5 u6u6 Défaut sur lactionneur de direction avant (avec saturation) à t = 21s

55 55 Les entrées de commande (avec la commande à mode glissant) u1u1 u2u2 u3u3 u4u4 u5u5 u6u6 Défaut sur lactionneur de direction avant (avec saturation) à t = 21s

56 56 Langle de lacet Défaut sur lactionneur de direction avant (avec saturation) à t = 21s

57 57 6. Simulations et résultats Conclusion sur les simulations : Bon suivi des consignes en trajectoire et en vitesse sans présence de défaut mais aussi en cas de défaillance sur un moteur de traction Suivi plus difficile en cas de défaillance sur le moteur de direction et surtout lorsque la valeur des entrées de commande est limitée

58 58 Conclusions Modélisation non linéaire de la dynamique de RobuCar en considérant lensemble du véhicule (sur 3 degrés de liberté) Mise en place dun système tolérant aux fautes dactionneurs sur un véhicule électrique Mise en place dun module de surveillance Mise en place dune commande tolérante aux fautes

59 59 Perspectives Amélioration du module de surveillance en terme de temps de réponse et de précision. Prise en compte dautres types de pannes pour le module de surveillance Adaptation de la commande à dautres performances désirées en suivi de trajectoire ou à dautres objectifs (exemple suivi de véhicule dans un convoi) Implantation de la méthode proposée sur le véhicule : Regarder linfluence des basculements de la loi de commande et sil y a lieu recherche dun moyen pour adoucir ces discontinuités Extension du travail aux pannes de capteurs, du procédé ou des régulateurs


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