Etude de l'hybridation d'énergie humaine, synthèse de commandes minimisant l'énergie consommée par un vélo à assistance électrique

par David Grossoleil

Thèse de doctorat en Signal Image et Automatique

Sous la direction de Dominique Meizel.


  • Résumé

    Le vélo est un mode de transport qui offre les avantages conjoints de limiter l’effet de serre et d’améliorer la santé des cyclistes. Le vélo à assistance électrique (VAE) pourrait engager une rupture technologique qui encouragerait un report modal massif de la voiture individuelle vers ce mode de transport vertueux. L’objectif de ces travaux est d’améliorer la commande des VAE avec l’objectif contradictoire de maximiser leur autonomie tout en garantissant le confort du cycliste. Ce problème est formulé comme un problème de Commande Optimale minimisant l’énergie consommée sous contrainte de vitesse moyenne imposée. La méthodologie s’appuie sur une modélisation multiphysiques du VAE et de son/sa cycliste. Un VAE instrumenté permet de calibrer un modèle électromécanique. Le modèle de comportement énergétique humain est construit à partir d’une étude bibliographique et de mesures effectuées sur un panel de 14 cyclistes volontaires. L’action motrice humaine est modélisée comme une source de puissance régulée. La synthèse de commande s’appuie dans un premier temps sur le Principe du Maximum de Pontryagin afin de synthétiser une solution de référence avec des hypothèses académiques. Une méthodologie discrétisée est ensuite présentée avec des hypothèses moins fortes. Elle s’appuie sur le Principe de Bellman. Le problème est reformulé comme la recherche du chemin à coût minimal dans un graphe. Le chemin Optimal est trouvé grâce à l’Algorithme A* et une heuristique énergétique bien adaptée. Une méthode d’élagage précoce des commandes trop lentes permet de réduire le temps de calcul de 18%. Les résultats montrent que la commande optimale économise 12% d’énergie et n’affecte pas le comportement du cycliste.

  • Titre traduit

    Hybridization of Human energy, synthesis of controls that minimize energy consumption of an electrically assisted bicycle


  • Résumé

    Bicycle is a transportation mean whose major advantages with respect to individual cars are to decrease greenhouse effect and to improve the health of the rider. Electrically assisted bicycles (EAB) may impulse a technological breakthrough that would encourage massive modal shift from private car use to this virtuous transportation mode. The objective of this work is to improve the control of the assistance of the EAB with the conflicting objectives to maximize their autonomy while ensuring the rider comfort. This problem is formulated as an Optimal Control problem that minimizes the energy consumed under the constraint of an imposed average speed. The methodology is based on a multi-physics modeling of EAB and its rider. An instrumented EAB is used to calibrate an electro-mechanical modeling. The human behavior modeling is designed thanks to a literature study and measurements achieved on 14 cyclists. The human power behavior is modeled as a regulated power source. Control design is first based upon the Pontryagin’s Maximum Principle in the context of academic assumptions, it yields a reference solution. With weaker but more realistic assumptions, the control design is based on the Bellman’s Principle applied to a sampled problem. The problem is thus reformulated as finding an optimal path in an energy valued graph. The optimal path is found by an A* algorithm assisted by a well-adapted heuristic function. Moreover, a 18% reduction of the computation time is obtained by using an ad-hoc pruning method. Results show that the optimal control saves 12 % of energy and does not affect the cyclist’s behavior.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (140 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliographie : 52 réf.

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  • Bibliothèque : Université de Limoges (Section Sciences et Techniques). Service Commun de la documentation.
  • Disponible pour le PEB
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