Commande d'un système de Puissance électrique pour personne âgée et/ou handicapée

Control Design of an Electrical Power System (EPS) for people with reduced mobility

• Auteur / Autrice : Valentina Ciarla
• Direction : Carlos Canudas-de-Wit, Franck Quaine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologie industrielles
• Date : Soutenance le 10/10/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : GRENOBLE-IMAGES-PAROLE-SIGNAL-AUTOMATIQUE
• Jury : Président / Présidente : Michel Basset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Quaine, Violaine Cahouet, Philippe Gorce
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Moreau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande automatique

Productique

Mots clés libres

Commande

Puissance

Direction

Électrique

Handicapée

Personne

Control

Power

Steering

Electrical

Disabled

People

Résumé

Ce travail de thèse a été effectué au sein du Laboratoire GIPSA-Lab de Grenoble, sous la direction de Carlos Canudas de Wit et co-encadré par Franck Quaine et Violaine Cahouët.Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet ANR-09-VTT-14-01/06 « VOLHAND ». Il s’inscrit dans le contexte général des nouvelles générations de Direction Assistée Electrique (DAE, ou EPAS en anglais pour Electronic Power Assistance Steering) avec pour objectif spécifique de tenir compte des caractéristiques des conducteurs à mobilité réduite. En effet, à ce jour, il n’existe pas de système de direction assistée adapté aux capacités articulaires (rhumatismes divers), musculaires (diminution de force, sénescence), ou encore aux douleurs ressenties par le conducteur. Le principal objectif de cette thèse est donc de proposer une méthodologie générale permettant d'adapter une DAE standard aux conducteurs à mobilité réduite. Le mémoire est organisé en cinq chapitres.Chapitre 1, intitulé Context and objectives of the study presente l’impact économique et sociétal, la problématique et l’objectif. Ensuite, la stratégie permettant d’atteindre l’objectif ainsi spécifié est précisée.Chapitre 2, intitulé Models for simulation, est dédié à l’établissement d’un modèle mathématique du système de DAEs prenant bien en compte l’élasticité en torsion de la colonne de direction due à la présence d’un capteur de couple. Parmi les entrées de ce modèle à deux degrés de liberté, une attention est faite en ce qui concerne la description du couple de frottement du contact pneumatique-route. Un modèle de frottement dynamique, basé sur le modèle de LuGre, est développé pour décrire ces phénomènes. Une amélioration du modèle est ainsi proposée.Chapitre 3, intitulé Oscillation annealing and torque observer design, commence par mettre en évidence les conséquences de la présence du mode souple associé à l’élasticité en torsion du capteur de couple sur le ressenti au niveau du volant. Une commande LQ est proposée pour limiter les oscillations dues à ce mode souple. Enfin, un observateur pour estimer le couple conducteur et le couple résultant du frottement pneumatique route est développé.Chapitre 4, intitulé Power steering booster stage, se focalise dans un premier temps sur la nature des courbes d’assistance utilisées dans le cadre des DAE. En effet, l’état de l’art sur le sujet met en évidence l’absence de justification de la forme de ces courbes généralement fonction de la vitesse du véhicule et du couple appliqué par le conducteur. Dans ce chapitre on propose de calculer de nouvelles lois en se fondant sur l’approche par optimisation (minimisation du jerk couplé avec la loi de puissance de Steven). Les résultats obtenus montrent que la minimisation du critère fondé sur le jerk du volant et la loi de puissance de Steven peut permettre de reproduire les lois existantes d’assistance et leur apportent une justification. Ils confirment également la forte influence du frottement (couple) au niveau du contact roue-sol. La seconde partie de ce chapitre est consacrée au développement d’une méthodologie générale d’adaptation des lois d’assistance (cartographie standard initiale) aux exigences du conducteur à mobilité réduite (typiquement ici une personne présentant une asymétrie.Chapitre 5, intitulé Experimental validation NeCS-Car benchmark, commence par détailler la plateforme expérimentale présente au laboratoire GIPSA-LAB et utilisée pour évaluer et valider les nouvelles lois d’assistance adaptées au conducteur à mobilité réduite. La stratégie globale d’assistance de couple au volant pour un conducteur présentant une asymétrie, est testée sur le banc avec la NeCS-Car. Les résultats issus du protocole montrent la validité de la stratégie proposée.Ce mémoire se termine avec une partie General conclusions and perspectives où les principales contributions sont d’abord rappelées, puis où des perspectives pour compléter et prolonger ce travail sont proposées.

Nowadays, vehicles have been widely equipped with power assistance steering systems and the way of providing assist torque is various. Electronic Power Assistance Steering (EPAS) systems have the tendency to replace the Hydraulic Power Assistance Steering (HPAS) systems, due to better fuel consumption, better road feel feedback to the driver and better return-to-center performance of the steering system. Actual EPAS systems are designed basing on a general driver’s profile and they try to mimic the behavior of the HPAS system. Main goal of this thesis is to propose a general methodology to adapt standard EPAS for drivers with reduced mobility. Toward this general goal, following contributions are integrant part of this thesis.First, a mathematical model of the steering system that keeps into account the torsion of the steering column is introduced. This model is influenced by two exogenous inputs: the tire-road friction torque and the driver's torque. Mathematical models for these inputs are also proposed. Due its importance on the steering system, great attention is dedicated to the description of the tire-road friction torque. This torque includes the contribution of two main phenomena: the self-alignment and the sticking friction torques. They appear, respectively, at high and low speeds of the vehicle. Dynamical friction models, based on the LuGre theory, are used to describe these phenomena.Then, a study of the steering model subject to the influence of exogenous inputs is done in open loop. This study shows that the steering column starts to oscillate when an exogenous input is applied. To delete low-frequency oscillations of the column, an optimal state-space control is introduced. Moreover, an observer is designed to estimate state variables of the system and exogenous inputs, acting on it.Third contribution of the thesis deals with the aim to provide some rationality to actual methods that are used to implement electronic power assistance on commercial vehicles. Indeed, investigations about actual assistance systems do not provide ground foundations or evidence that the current assistance is optimal for the driver in any sense. At this aim, an optimization procedure is proposed to retrieve the shape of the steering assistance, starting from the analysis of the steering movement, in case of a general driver's profile, and the analysis of the human perception face to an external stimulus.After that, a procedure to adapt the standard steering assistance to the driving of disabled people is proposed. As there is not any classification of drivers according to their pathology, attention focuses on drivers affected by diseases to the upper limbs that cause an asymmetry into the torque production on the steering wheels. A study about main problems that these patients are dealing during some critical driving manoeuvres is done. Starting from this, a compensation procedure is proposed to modify the standard power steering assistance. This procedure is validated in simulation. Moreover, objective evaluation criteria are derived to test improvements due to the proposed assistance.Finally, the experimental validation of all elements proposed in the general methodology is done on the tele-operation platform, present at the laboratory Gipsa-LAB. This system is made up of a control station with the operator, a pc-unit and a tele-operated vehicle, that allows retrieving a real profile of tire-road friction torque. Results about these experimental tests validate benefits of the adaptation methodology. They represent also the starting point for the installation of the proposed assistance on a real vehicle and set the basis for the application of the methodology for a wider class of patients, affected by different pathologies.