Surveillance et commande Tolérante aux Fautes. Application à un véhicule tout électrique

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

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, …. Enjeux • 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.).

3. Introduction Challenge • 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 d’actionneurs

4. Introduction Quelques exemples d’application 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

6. défaut défaut défaut défaut consigne contrôleur Actionneurs procédé capteurs Contexte et problématique Tolérance aux fautes : Comment le système réagit suite à l’apparition d’une ou de plusieurs défaillances : • de capteur(s) ? • d’actionneur(s) ? • du procédé ? • du contrôleur ? Peut-on continuer à atteindre les objectifs fixés au départ ? • Phase d’analyse du système • Phase de mise en place d’une commande tolérante aux fautes

7. Actionneurs ROBUCAR ROBUCAR • moteur électrique sur les roues motrices • angle de braquage de l’essieu arrière • angle de braquage de l’essieu avant Capteurs • 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) Contexte et problématique L’application s’intéresse à l’aptitude qu’à un véhicule (RoBuCar) à suivre des objectifs même après la perte d’un ou de plusieurs actionneurs. B A On suit une trajectoire à la vitesse désirée

8. Contexte et problématique

9. Contexte et problématique

10. Peut-on continuer à suivre les consignes en trajectoire et en vitesse ? Actionneurs ROBUCAR • moteur électrique sur les roues motrices • Angle de braquage de l’essieu arrière • Angle de braquage de l’essieu avant Capteurs • 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) Contexte et problématique Problématique :En cas de défaillance majeure de certains actionneurs, que se passe-t-il ? Et comment le système peut-il réagir ?

11. Contexte et problématique

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

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

14. Description de Robucar Robucar est un prototype de véhicule électrique servant de plate-forme expérimental pour des études d’automatique menées au laboratoire LAGIS de Lille. Le véhicule possèdent 10 moteurs à courant continu: • 4 moteurs de traction • 4 moteurs de freinage • 2 moteurs pour les directions avant et arrière du véhicule 1 Batteries de 12 volts 60Ah2 Le châssis3 Roue avant droite4 Panneau de contrôle avant5 Vérin électrique de direction avant6 Roue avant gauche7 Batteries8 Roue arrière gauche9 Vérin électrique de direction arrière10 Panneau de contrôle arrière

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. 1. Description de Robucar 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 moteur 2 : Biellette de direction 3 : moteur de 1200 Watts 4 : roue 6 : Amortisseur 7 : Encodeur incrémental

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

18. 1. Description de Robucar Synoptique de l’architecture matérielle de Contrôle/Commande

19. 1. Description de Robucar Schéma fonctionnel d’un nœud

20. 1. Description de Robucar Schéma de l’architecture de RobuCar

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

22. Les entrées de commande (Ui couples de traction appliqués sur chacune des roues Uf et Ur: couple de braquage des roues avants et arrières) Les sorties : vitesse de rotation de la roue i : coord de la position du véhicule , : angle de braquage des roues Av et Ar : vitesse de lacet Les états du système : 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 2 Modélisation non linéaire de la dynamique duvéhicule Description des entrées, sorties et états du système :

23. 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 d’état : Avec cette commande, nous suivons des consignes de vitesses de rotation des roues et de dérivées d’angle de braquage

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

25. 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé Module de planification de trajectoire muni d’un contrôleur :

26. 3 Loi de commande du véhicule en modes nominal et dégradé Loi de commande du véhicule en mode nominal

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

28. 3. Loi de commande du véhicule en modes nominal et dégradé L’angle de lacet

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

30. Système linéarisé par bouclage linéarisant et commandé par retour d’état Planification de trajectoire tolérante aux fautes trajdes Estimateur de la position de RobuCar 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé Exemple de la détermination d’une commande sans l’actionneur de direction avant:

31. k3 k3 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé Contrôleur : • Soit un PID • Soit un contrôleur à mode glissant où la surface de glissement est :

32. matrice d’incidence procédé Localisation des défauts résidus défauts Génération de résidus Evaluation des résidus Analyse des défauts modèle Prise de décision Mise en place d’un module de surveillance(détection et localisation des défauts) Méthodes basées sur une modélisation du système : diagnostic quantitatif par les relations de redondances analytiques théorie de l’élimination pour générer les résidus En présence de défaillance(s), les caractéristiques des résidus changent L’évaluation des résidus se fait : • soit par des méthodes statistiques • soit par un seuillage fixe ou adaptatif

33. 4. Mise en place d’un 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:

34. 4 Mise en place d’un module de surveillance (détection et localisation des défauts) R1 R2 R3 R4 R5 R6 • si |R5| > seuil_5, l’actionneur 5 est en défaut

35. Soit le système sans défaut suivant en cas de reconfiguration : où 5. Stratégie et mécanisme de reconfiguration Pour ce système, une commande est calculée : CN Lorsqu’un défaut d’actionneur apparaît (défaillance 1), le système s’écrit : Pour ce cas de défaillance, une commande est calculée : Cf1 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 : Cf2,Cf3, …, Cfi

36. 6. Simulations et résultats Simulation du système suite à l’occurrence d’un défaut • sur l’actionneur de traction de la roue avant gauche • sur l’actionneur 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

37. Défaut sur l’actionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s Trajectoires mesurées et trajectoire désirée

38. Défaut sur l’actionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s Les entrées de commande (avec la commande à mode glissant) u1 u2 u3 u4 u6 u5

39. Défaut sur l’actionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s L’angle de lacet

40. Défaut sur l’actionneur de direction avant (avec saturation) à t = 21s Trajectoires mesurées et trajectoire désirée

41. Défaut sur l’actionneur de direction avant (avec saturation) à t = 21s L’angle de lacet

42. 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