Modeling and observation applied to physiology-aware control for cycling

par Nadia Rosero ibarra

Thèse de doctorat en Automatique - productique

Sous la direction de John Jairo Martinez Molina.

Le président du jury était Christophe Bérenguer.

Le jury était composé de Nacim Ramdani.

Les rapporteurs étaient Jimmy Lauber, Sorin Olaru.

  • Titre traduit

    Modélisation et observation pour la commande des variables physiologiques du cycliste


  • Résumé

    De nos jours, la plupart des assistances électriques pour vélos sont principalement basées sur des mesures de variables mécaniques. Cette thèse se concentre sur l'analyse du cycliste et du vélo dans son ensemble, afin de concevoir une loi de commande qui prenne en compte des contraintes physiologiques. En ce sens, la relation entre les indices physiologiques et les variables mécaniques est abordée. En particulier, dynamique d'échange de gaz pendant le pédalage est modélisée et analysée. Le modèle obtenu est linéaire à paramètres variables en temps discret. Les données mesurées de différents tests de cyclisme efectués au sein du GIPSA-Lab sont utilisées pour son calibration. La méthodologie d'identification paramétrique est développée comme solution à une séquence de problèmes d'optimisation non linéaire et non contraints. Le modèle dynamique d'échange de gaz fait référence à la détermination de la production excessive de dioxyde de carbone, qui est considérée comme un état physiologique indésirable du cycliste. En outre, un observateur de la production de dioxyde de carbone est mis en oeuvre en utilisant des mesures de la consommation d'oxygène et de la puissance de pédalage, ce qui fournit un intervalle déterministe contenant l'état réel. Enfin, une méthode est présentée pour trouver les conditions suffisantes sur la puissance de pédalage qui garantissent des niveaux admissibles de production de dioxyde de carbone.


  • Résumé

    Nowadays, most of the electrical assistances for bicycles are mainly based onmeasurements of mechanical variables. In this dissertation, cyclist and bicycle are considered as a whole energetic system in order to conceive physiology-aware control strategies. In this sense, the relationships between physiological indices and mechanical variables are studied. In particular, the gas exchange dynamics during cycling is modeled and analysed. The obtained model is discrete-time and linear parameter varying. Measured data of different cycling tests performed in GIPSA-Lab are used for its calibration. A methodology for parametric identification is developed as a solution of a sequence of non-linear unconstrained optimization problems. The gas exchange dynamical model allows the determination of excess carbon dioxide production, which is considered as an unsuitable physiological-state of the cyclist. Furthermore, a set-membership observer of carbon dioxide production is implemented using measurements of oxygen consumption and pedal power. It provides a deterministic interval which contains the real state. Finally, this thesis presents a method for finding the suficient conditions on the pedal power that guarantee admissible levels of carbon dioxide production.


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