Assistance préventive à la sortie de voie, Active steering assistance for lane departure avoidance

De
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Sous la direction de Saïd Mammar
Thèse soutenue le 17 novembre 2008: Evry-Val d'Essonne
L'objectif principal de ce travail de thèse a été le développement et l'implantation d'une assistance active pour l'évitement des sorties involontaires de la voie de circulation. Les caractéristiques de cette assistance se déclinent en plusieurs sous-objectifs énumérés ci-dessous : intervention dans les moments d'inattention du conducteur alors que la sortie de voie devient imminente et rétablissement de la situation de maintien de voie. Action partagée avec le conducteur sur la direction du véhicule. Fonctionnement sur des routes à faible et à forte courbure. Efficacité quelle que soit la qualité de la route, à forte ou à faible adhérence. Dans la démarche adoptée le cahier des charges a été formalisé en utilisant les outils et les concepts offerts par les mathématiques, la géométrie et l'automatique. L'optimisation convexe linéaire et bilinéaire a permis de trouver une solution au problème posé. Par la suite, la commande ainsi synthétisée a été implantée sur un véhicule expérimental et on a vérifié que les objectifs étaient bien atteints. Les principales contributions de cette thèse peuvent être résumées comme suit : 1.Gestion de l'interaction avec le conducteur par des stratégies de commutation. 2.Gestion de la trajectoire du véhicule sur la voie et garanties a priori sur les limites des excursions latérales. 3.Validité de l'assistance pour une large plage de courbure de la route. 4.Une assistance pour le cas des forces de contact pneumatique-chaussée saturées. 5.Validation pratique des résultats théoriques obtenus.
-Assistance active à la conduite
The main objective of this PhD thesis is the design and the experimental validation of a steering assistance which avoids unintended road departure. The following aspects have been considered: the system intervenes in case of a driver’s lapse of attention when running off the road is imminent; the intervention consists in reestablishing the lane keeping situation. The driver shares the steering control with the assistance system. The steering assistance system avoids lane departure for both straight and curvy roads. The steering assistance system is efficient for high lateral acceleration as well as low grip. The above topics have been formalized using mathematics and control theory tools. The convex linear and non-convex bilinear optimization methods have been employed to design the steering assistance system. The resulted steering control law has been used to command a DC motor installed on the steering column of a prototype vehicle. The performance of the assistance system has been experimentally validated on a real test track. The fundamental contributions of this thesis can be summarized as follows: 1.The interactions driver - assistance system are governed by activation/deactivation strategies ensuring stability despite switching. 2.The car lateral overshoot on the lane during assistance intervention is known previous to assistance activation; maximum bounds are guaranteed. 3.The steering assistance system has been proved to be stable and efficient on low grip roads and for highly saturated tire forces, both in theory and in practice. 4.All theoretical results have been experimentally validated and very good robustness of the steering assistance has been shown.
Source: http://www.theses.fr/2008EVRY0046/document
Publié le : mercredi 26 octobre 2011
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¶ ¶Universit¶e d’Evry-Val-d’Essonne Ecole doctorale Sitevry
Num¶ero d’ordre ...
Assistance pr¶eventivea? la sortie de voie
?THESE
pr¶esent¶ee et soutenue publiquement le 17 Novembre 2008
pour l’obtention du
¶Doctorat de l’Universit¶e d’Evry-Val-d’Essonne
(sp¶ecialit¶e automatique)
par
Nicoleta Minoiu Enache
Composition du jury
Rapporteurs : Brigitte d’Andr¶ea-Novel Professeur a? l’ENSMP
Carlos Canudas-de-Wit Directeur de recherche au CNRS-GIPSA-LAB
Fran»coise Lamnabhi-Laguarigue Directrice de recherche au CNRS-LSS
¶Christian J. Gerdes Professeur a? l’Universit¶e de Stanford Etats-Unis
Driss Mehdi a? l’ESIP
Encadrant : Mariana Netto Charg¶ee de recherche au LCPC
¶Directeur : Sa˜‡d Mammar Professeur a? l’Universit¶e d’Evry-Val-d’Essonne
Laboratoire sur les Interactions V¶ehicules-Infrastructure-Conducteurs
Unit¶e mixte INRETS / LCPC 14, route de la Miniere? 78000 Versailles-SatoryRemerciements
Avec mon travail de recherche, les relations et les contacts humains quotidiens ont été au cœur
de mes satisfactions et achèvements. Il m’est difficile de mettre des mots sur ces sentiments, mais
je vais essayer d’exprimer au mieux ma reconnaissance et ma profonde gratitude aux gens qui
m’ont entourée au cours de ces trois dernières années.
Je remercie Madame Brigitte d’Andréa-Novel, Professeur à l’École Nationale Supérieure des
MinesdeParis,etMonsieurCarlosCanudas-de-Wit,DirecteurderechercheauLaboratoired’Au-
tomatiquedeGrenobleCNRS-GIPSA-LAB,pouravoiracceptéd’êtrerapporteursdemathèse,et
pour l’attention avec laquelle ils ont lu mon mémoire. Je remercie également les autres membres
du jury pour leurs commentaires et leurs remarques pertinentes, Madame Françoise Lamnabhi-
Laguarigue, Directrice de recherche au CNRS-LSS, Monsieur Driss Mehdi, Professeur à l’École
Supérieure d’Ingénieurs de Poitier, et Monsieur Christian J. Gerdes, Professeur à l’Université de
Stanford.
Je remercie Madame Mariana Netto et Monsieur Saïd Mammar pour m’avoir confié cette
thèse de doctorat.
Je tiens à remercier Madame Mariana Netto, qui a été co-encadrant de cette thèse. Je la
remercie pour l’autonomie qu’elle m’a laissée et pour la confiance avec laquelle elle m’a entourée
tout au long de cette thèse. Je lui suis reconnaissante pour m’avoir encouragée en permanence
et pour sa gentillesse.
J’exprime ma profonde gratitude à Monsieur Saïd Mammar, mon directeur de thèse. Son
professionnalisme, son incroyable capacité de travail, son enthousiasme et son investissement
humain resteront pour moi des références, que j’espère atteindre un jour. Je le remercie pour
son conseil scientifique permanent qui m’a guidé dans mes recherches, pour sa disponibilité et sa
générosité. MERCI.
J’ai effectué ma thèse de doctorat au sein du Laboratoire sur les Interactions Véhicules-
Infrastructure-Conducteurs (LIVIC), unité mixte de recherche du Laboratoire Central des Ponts
et Chaussées (LCPC) et de l’Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité
(INRETS). J’exprime mes profonds remerciements à Monsieur Jacques Ehrlich directeur du
LIVIC, pour son soutien et la confiance qu’il m’a accordée en me permettant d’effectuer mes
travaux de thèse au LIVIC. Je le remercie infiniment de m’avoir soutenue dans toutes mes
démarches,notammentpourlapréparationdemonséjourderechercheàl’UniversitédeStanford.
Je remercie Monsieur Didier Aubert, directeur adjoint du LIVIC, pour avoir partagé avec moi
l’esprit de performance, ses hautes valeurs professionnelles et son enthousiasme. Je remercie
également Monsieur Jean-Marc Blosseville, directeur du LIVIC durant mes premières années de
thèse, pour m’avoir incitée à développer la partie applicative de mes recherches. Merci Monsieur
Blosseville pour la confiance que vous m’avez accordée et pour m’avoir encouragée à implanter
mes travaux sur le véhicule prototype à l’occasion de l’évaluation du LIVIC en 2006!
Jeremerciel’ensembledel’équipeduLIVICpoursonsoutienetsonaccueilchaleureuxdurant
ces trois années. J’exprime ma gratitude notamment à :
– Benoit Lusetti, qui m’a accompagnée avec ses précieux conseils du début jusqu’au terme de
ma thèse. Son soutient m’a aidé à rester enthousiaste et à surmonter les moments difficiles.
Il m’a appris prendre confiance et à renforcer mes points faibles, notamment la conduite
aux limites du renversement sur le plan à fort devers. Je le remercie profondément pour
notre collaboration qui a permis d’obtenir la totalité des résultats expérimentaux présentés
dans ce mémoire. MERCI.
– Je tiens à remercier Séverine Somma pour sa grande disponibilité et son soutien chaleureux
pour toutes les questions délicates qui peuvent survenir dans la gestion d’une thèse de
idoctorat, comme par exemple le choix d’une robe de mariée.
– Aux membres de l’équipe contrôle-commande et de l’équipe risque, que je n’ai pas encore
mentionnés,LydieNouvelière,SébastienGlaser,JamilDakhlallah,YazidSebsadji,Hong-Tu
Luu,jeleuradressemesremerciements.J’aitoujourstiréprofitdesintéressantesdiscussions
quej’aieuaveceux,notammentdesconseilsgénéreuxdeSébastienGlasersurladynamique
du véhicule.Je suis reconnaissanteàLydie Nouvelièrepour avoircoordonnéet encadré mon
monitorat que j’ai effectué à l’Université d’Evry Val d’Essonne et qui restera grâce à son
soutien un très beau souvenir.
– J’exprime mes remerciements à mes collègues de l’équipe moyens expérimentaux et valida-
tion, Francis Dupin, Jean-Marie Chevreau, Didier Dominois et Christian Leverger qui ont
rendu possible la mise en pratique de mes recherches. Je leur suis reconnaissante pour leur
contribution à ce travail.
– Pourletravail,essentielàlaréalisationpratiquedemathèse,surladétectiondesmarquages
routiers, je remercie mes collègues de l’équipe perception du LIVIC et parmi eux, Raphaël
Labayrade.
– L’informatique n’a jamais représenté un obstacle dans mes projets grâce à l’aimable et
souriante aide de Monsieur Georges Coches. Merci, Georges.
– À mes collègues de bureau, Jamil Dakhlallah et Nabil Benmansour, qui ont animé mes
journées avec leur présence dans une ambiance agréable et décontractée, je les remercie.
– À tous mes collègues qui m’ont soutenue dans mes efforts et qui m’ont donné du courage
dans cette aventure, Isnié Rusani, Nicolas Hautière, Dominique Gruyer, Alexandre Ndjeng
Ndjeng, Matthias Perrolaz, Benjamin Mourllion, Guillaume Saint-Pierre, Thomas Veit,
Romain Gallen, Aurélien Cord, Simon Coutel, Steve Pechberti, Joelle Besnier, Benoît Van
Holme, Ali Ganoun, Guilhem Cortès, je les remercie, ainsi que tous ceux que j’aurais oublié.
– Un petit mot pour CARLLA qui a courageusement et admirablement supporté mon travail
sans jamais se plaindre et sans qui, rien n’aurait été possible.
Je voudrais ajouter sur cette liste Carlos de Melo qui a eu une contribution très importante
à la réalisation et à la présentation de mon manuscrit de thèse. Je te remercie Carlos, d’avoir
accepté si gentiment de m’aider, surtout quand le temps n’était pas vraiment mon allié.
Le deuxième laboratoire où j’ai mené mes recherches est le Dynamic Design Laboratory de
l’Université de Stanford. J’exprime ma profonde gratitude au Professeur Christian J. Gerdes
qui m’a accueillie pour trois mois exceptionnels au sein de son laboratoire. Son esprit forma-
teur, sa disponibilité et son expertise m’ont aidée d’une manière fondamentale à structurer et à
progresser dans mes recherches. Pour sa rigueur, son esprit critique toujours constructif et ses
très hautes exigences, je remercie ma collaboratrice directe, Kirstin L. R. Talvala. Mon respect
Kirstin, tu m’a beaucoup appris! À toute l’équipe du Dynamic Design Laboratory j’exprime
mes profonds remerciements pour leur hospitalité, pour leur aide à m’intégrer et à poursuivre
les tests expérimentaux : Carrie Bobier, Rami Y. Hindiyeh, Judy Hsu Yung-Hsiang (Judy) Hsu,
Adam Jungkunz, Krisada (Mick) Kritayakirana, Shad Laws, Hsien-Hsin Liao, Nikhil Ravi, Matt
Roelle, Christophe Voser. Thank you, guys, I miss you very much!
Multumesc familiei mele. Fara voi nu aş fi fost şi nu aş fi fost ce sunt. Voi sunteţi intotdeauna
cu mine şi langa mine, oriunde aş fi in lumea astea. Va mulţumesc şi va iubesc Mami, Tati, Manu,
Vlaicu, Crina, Mama şi Tata Enache, Dragos.
À mon mari et mon ami, Razvan, je le remercie pour son amour et pour la vie heureuse que
nous avons. Pour son soutien, sa solidarité et toutes les petites choses qui vont beaucoup plus
loins que ce que les mots peuvent dire.
iiAvant-propos
The story of a ladybird
To Ingrid
Once upon the time, on a sunny may day a little ladybird came out into the light. She,
because it was a girl ladybird, didn’t know either her father or her mother. This is the way the
ladybirds’ life begins : they don’t exist for a long time and suddenly they spread out their wings
and fly to discover the world.
The ladybirds don’t go to school since school education is longer than the may month, hence
longer than their short life. So, the ladybirds start life knowing nothing about it. They don’t
know even the must usual common sense, for instance that without parents and education one
is a lost bug.
Coming back to the little new born ladybird let us see how the open minded enriched the
world by her smooth presence. First of all, she enjoyed the sun light. She played with it by hiding
herself behind a punched leaf and showering in the rays.
When clouds covered the sun the ladybird looked around herself. She wondered other bugs,
flying or sliding, that all seem to have something important to accomplish in their life. And
the little ladybird wondered how they knew what they had to do and first of all how to do it?
Perhaps she also had a small job to do in her short life and she would fail at it since she never
knew what it was.
After these kind of thoughts she was frightened of the unknown. Why should she have a goal
in life? What for? Is it bad if she had none? Where to find one? And thinking about these
complex problems the ladybird flew over a beehive. The bees were coming in and out without
crossing or talking to each other and flew straight to a mysterious place to return subsequently
having loaded legs. The bees didn’t speak to the ladybird. They were too busy and she was too
small. Only one bee turned her head when the ladybird asked her for directions and said “Waste
of time!”. Her answer confused the ladybird. Was the “Waste of time!” really her direction? Was
that the reason why all the bees were flying in one direction, to waste their time? And especially
was that the aim of a bees life, to waste time? A thousand other questions invaded her small
head. Eventually, she understood from the bees that organized jobs executed in a big team have
the goal of keeping one busy, so that time goes on and, to the end of one’s life, everybody is
fulfilled.
However the ladybird didn’t like the bees lifestyle very much and went on her discovery trip.
She flew over a man’s house and saw the cats. The cats didn’t speak to her either but she stopped
for a while to observe them. They played, and ate and slept over and over again. Definitely they
didn’t have any time problems and apparently neither any goal. Sometimes, for a short while,
they paid attention to some singing bird but they came back fast to their soothing sleep. And
the ladybird understood that not all living beans might have a goal in their life.
Perhaps to have a goal in life is not so important, she told herself. Tired already from all the
thinking, she decided to follow the singing birds and to stop thinking. Finally, the small open
minded ladybird was soon eaten by a bird.
iiiivJe dédie cette thèse
à mes parents,
Elisabeta et Ştefan.
Dedic aceasta teza de doctorat
parintilor mei,
Elisabeta şi Ştefan.
vviTable des matières
Notations xxi
1 Notations mathématiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
2 véhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxii
3 Notations loi de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii
4 Acronymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii
Partie I Introduction 1
Chapitre 1
Motivations
1.1 Contexte du sujet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Objectifs et contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Organisation du mémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Bibliographie 7
Chapitre 2
État de l’art
2.1 Systèmes intelligents de transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 La recherche menée dans le cadre des projets . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 L’aide active au maintien dans la voie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1 Progression de l’intrusion de l’aide au guidage latéral . . . . . . . . . 18
2.2.2 Méthodes d’action sur la dynamique latérale du véhicule . . . . . . . 20
2.2.3 Contrôle latéral du véhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.4 Systèmes intégrés d’assistance active au contrôle latéral du véhicule . 27
2.3 Le conducteur et l’assistance au maintien dans la voie . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 Prise en compte du conducteur par l’assistance . . . . . . . . . . . . . 30
viiTable des matières
2.3.2 Acceptabilité des assistances à la conduite et adaptation au compor-
tement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Les systèmes sur le marché . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1 Responsabilité juridique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.2 Systèmes de prévention active de sortie de voie disponibles sur le marché 35
2.4.3 Gains en sécurité des systèmes commercialisés . . . . . . . . . . . . . 38
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Bibliographie 41
Partie II Outils pour la modélisation et la commande du véhicule 49
Chapitre 3
Éléments théoriques de la commande des systèmes
3.1 Les inégalités matricielles linéaires et bilinéaires . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.1 Ensemble convexe, fonction convexe et problème d’optimisation convexe 53
3.1.2 Problème d’optimisation convexe sous contraintes LMI . . . . . . . . 61
3.1.3 sous contraintes BMI . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Ensemble atteignable et ensemble invariant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1 Ensemble atteignable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2 Ensemble invariant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.3 Approximation des ensembles atteignables par des ensembles invariants 65
3.3 Fonction de Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.1 La stabilité au sens de Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.2 Fonction de Lyapunov et ensembles invariants . . . . . . . . . . . . . 68
3.4 Fonction de Lyapunov quadratique et inégalités matricielles . . . . . . . . . . 69
3.4.1 Système dynamique linéaire invariant autonome . . . . . . . . . . . . 70
3.4.2 linéaire invariant commandé par retour d’état . . 70
3.4.3 Systèmedynamiquelinéaireinvariantparretourd’étatavec
perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4.4 Système dynamique linéaire à paramètres variants . . . . . . . . . . . 80
3.5 Fonction de Lyapunov composée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.5.1 Propriétés de la fonction quadratique composée . . . . . . . . . . . . . 81
3.5.2 Fonction de Lyapunov composée : stabilité et ensemble invariant . . . 84
3.6 Systèmes hybrides avec des entrées et des sorties . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.6.1 Représentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.6.2 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
viii

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