Modèle du véhicule pour le suivi de voie et instrumentation
4.6 Équipement du véhicule prototype, CARLLA
Fig. 4.27 – Véhicule expérimental CARLLA.
4.6.1 Fonctionalités du véhicule prototype CARLLA
Les tests pratiques de cette thèse ont utilisé le véhicule expérimental CARLLA équipé et instrumenté par l’unité de recherche LIVIC24des laboratoires LCPC25et INRETS26. Le véhicule expérimental CARLLA (Contrôleur d’Assistance Routière Longitudinale et Latérale) présenté sur la Figure 4.27 est un véhicule Peugeot de type 307 SW qui a été modifié pour le test des assistances à la conduite [Dup07]. Il est instrumenté pour l’information et l’avertissement du conducteur et pour le contrôle longitudinal et latéral. Les applications implantées actuellement sur ce véhicule sont :
– SAVV (Système d’Avertissement de Vitesse excessive en approche de Virage) en mode informatif et actif.
– Les assistances latérales à la conduite : vibrations du volant, oscillations avec suggestions d’action du volant, interventions sur la colonne de direction pour éviter les sorties de voie, contrôle latéral automatisé.
– La détection d’obstacles par stéréovion et laser avec freinage d’urgence.
– Le contrôle longitudinal à basse vitesse.
Les équipements du véhicule pour le contrôle latéral peuvent être classés dans les catégories suivantes :
1. Capteurs extéroceptifs : caméra placée en position frontale, GPS RTK couplé à une carto-graphie précise.
2. Capteurs proprioceptifs : centrale inertielle, capteur de distance parcourue et de vitesse, capteur d’angle de braquage du volant, capteur de couple conducteur, CORREVIT.
3. Actionneur : colonne de direction électrique prototype (sans assistance hydraulique) réalisée en collaboration avec la société CERMA.
4. Moyens de calcul : 2 PC, l’un dédié au traitement d’image et l’autre dédié aux algorithmes de commande et à l’interface homme-machine.
La Figure 4.28 présente l’architecture des capteurs et du moteur électrique de la colonne de direction. Le module de commande de la direction, DIR et le PC qui lui envoie des consignes, CTRL/CDE communiquent par un bus CAN au format CAN-A. Les identifiants des messages sont donc codés sur 11 bits. Une couche applicative CanFestival2 développée par le LIVIC a été ajoutée. Celle-ci respecte la norme CANOpen DS301 v.4.02. CTRL/CDE est donc équipé de cette couche applicative, dont le rôle est de gérer le réseau : initialiser les noeuds, les connecter, les reconnecter en cas de défaut. Tout ceci est réalisé à partir d’un fichier de configuration écrit en XML qui décrit le réseau.
4.6.2 Équipement 1. Caméra
La caméra CCD utilisable de jour comme de nuit est un modèle CNB WK-ZS260IR. Cette caméra fournit une image avec une échelle de gris sur 8 bits et une résolution de 752(H) x 582(V) pixels. Sa fréquence est de 25 images par seconde. Cette caméra est installée en vision frontale, à la place du rétroviseur intérieur (voir Figure 4.29 (a)).
Des algorithmes de traitement d’image fournissent la détection des marquages routiers latéraux [Lab06]. D’autres variables sont également calculées : la courbure de la route,
24Laboratoire sur les Interactions Véhicules-Infrastructure-Conducteurs
25Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
26Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité
Fig. 4.28 – Architecture de réseau [Dup07].
l’écart latéral du véhicule par rapport au centre de la voie, l’angle de cap relatif du véhicule par rapport à l’axe de la voie. Ces deux derniers sont calculés à l’aplomb de la caméra.
Le véhicule est équipé d’un écran présentant les résultats du traitement d’image (voir Figure 4.29 (b)). L’indice de confiance est représenté sur une échelle allant du rouge (mauvaise détection) au vert (détection satisfaisante) sur la partie latérale gauche de l’affichage. La ligne orange représente l’estimation de l’axe de la voie et la courbe verticale rouge la trajectoire future du véhicule calculée à partir de l’angle de braquage du volant.
(a) (b)
Fig.4.29 – (a) Caméra en vision frontale. (b) Interface graphique.
2. Centrale Inertielle
Le véhicule est équipé d’une centrale inertielle trois axes Crossbow VG400 (voir Figure 4.30) qui communique par une liaison RS232 avec le PC de commande. Celle-ci fournit les accélérations et les vitesses de rotations selon les trois axes (roulis, tangage et lacet).
Fig. 4.30 – Centrale inertielle.
3. Capteur GPS RTK et cartographie
Le système GPS RTK 27 est un Thalès SAGITTA 02 avec une précision centrimètrique (voir Figure 4.31).
Les essais réalisés durant cette thèse se sont déroulés sur la piste d’essai Routière locali-sée à Satory sur la commune de Versailles. Cette piste possède des virages et des lignes droites ; elle est proche de la configuration d’une route départementale (voir Figure 4.32).
Une cartographie 3D des marquages avec une précision centimétrique est disponible. Les caractéristiques de courbure, d’altitude et de dévers gauche et droit sont représentées sur la Figure 4.33 en fonction de l’abscisse curviligne.
27« Global Positioning System Real Time Kinetic »
(a) (b)
Fig. 4.31 – Système GPS RTK : antenne (a) et récepteur (b).
L’utilisation du GPS couplé à la cartographie via un algorithme de map-matching, permet d’avoir accès à des variables non mesurables ou à des variables de meilleure précision et moins bruitées (par exemple la courbure).
(a) (b)
Fig.4.32 – Pistes de Satory, (a) vue d’ensemble. (b) détail.
4. CORREVIT
Un capteur optique CORREVIT de type 2 axes S-400 (voir Figure 4.34) fournit les mesures des vitesses selon les directionsXv etYv et une estimation de l’angle de dérive du vecteur vitesse par l’intermédiaire d’un filtre de Kalman interne. Ce capteur utilise un système optique de traitement du défilement de la surface de la route sous le véhicule. Les mesures se font à l’aplomb du capteur, une translation vers le centre de gravité du véhicule est donc nécessaire. Un algorithme de reconstruction de l’angle de dérive, à partir des capteurs ABS, de l’angle de braquage et de la centrale inertielle a également été utilisé pour pouvoir se dispenser de ce capteur qui demeure très coûteux.
5. Odométrie
Un odomètre délivre une impulsion périodique dont la durée est inversement proportion-nelle à la vitesse du véhicule. C’est la mesure de cette durée qui est transmise au module de commande de la direction et ensuite inversée pour calculer la vitesse longitudinale du véhicule.
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 4.33 – (a) Courbure. (b) Altitude relative. (c) Dévers droit. (d) Dévers gauche.
Fig. 4.34 – Système de mesure de l’angle de dérive du vecteur vitesse CORREVIT.
6. PC de traitement d’image et PC de commande
Les PC installés sur CARLLA sont utilisés pour le traitement d’images et les contrôles lon-gitudinal et latéral. Ils servent également à gérer l’interface homme-machine et à enregistrer les données pour l’évaluation à posteriori. Ces PC sont chacun équipés de 2 processeurs AMD Opteron 2.2 GHz et de 1GB de mémoire RAM. L’ensemble des programmes utilisés fonctionnent sous le logiciel RTMaps développé par la société Intempora. Ce logiciel permet l’acquisition de données issues de différentes sources (ports série, bus CAN, vidéo, etc.), leur horodatage, leur enregistrement et leur rejeu. Les modules de traitement d’images et de commande, développés en C++, sont intégrés à RTMaps grâce à un environnement de développement intégré au logiciel Microsoft Visual Studio.
7. Actionneur sur la colonne de direction
Le laboratoire LIVIC a sous-traité à la société CERMA le remplacement de la colonne de direction du véhicule Peugeot 307. L’assistance hydraulique a été supprimée pour éliminer le couple non-maîtrisé de l’assistance de série. À la place, un moteur électrique contrôlé par un micro-contrôleur de type PIC a été modifié pour piloter la colonne de direction.
La nouvelle assistance électrique peut fonctionner selon deux modes [Dup07] :
(a) Le mode assistance classique pour la route : le micro-contrôleur du moteur assure une direction assistée électrique standard.
(b) Le mode expérimentation : le micro-contrôleur reçoit les consignes en couple du PC installé dans la voiture. Il vérifie que ces signaux sont valides, assure la sécurité du système et fournit le contrôle de bas niveau pour suivre les consignes de couple.
Fig.4.35 – Système de direction [Dup07].
La nouvelle colonne de direction est équipée de trois capteurs [Dup07] (voir Figures 4.35 et 4.36) :
(a) Un capteur optique d’angle produit par BEI IDEACOD de type CHM 510-13BT-002 pour la mesure de l’angle volant a été installé au niveau de l’engrenage du volant sur l’arbre supérieur de la colonne de direction. La valeur de l’angle est codée sur 13 bits,
soit 8192 valeurs et un bit codeur correspond à une variation d’angle de 0.1266◦. Ce capteur donne également le braquage des roues puisqu’il y a continuité mécanique entre le volant et les roues.
(b) Le couple conducteur est fourni par un capteur d’effort SCAIME de type ZF qui relie le volant à la colonne de direction. Compte tenu de ses caractéristiques et des bras de levier, il fournit une mesure entre −31.5N met+31.5N m codée sur 12 bits, soit 4096 valeurs. 1 bit codeur correspond donc à une variation de couple 0.0154N m.
(c) Le couple transmis aux roues est fourni par un capteur SCAIME de type DR2513 placé sur la colonne de direction sous le pignon d’entraînement du moteur électrique.
Il est d’une grande précision, classe 0.25%. Il fournit une mesure entre −50N m et +50N m codée sur 12 bits, soit 4096 valeurs. 1 bit codeur correspond donc à une variation de couple 0.0244N m.
(a) (b)
Fig.4.36 – Moteur électrique installé sur la colonne de direction [Dup07] (a) vision sans volant, (b) vision avec volant.
8. Interface homme-machine
Les interactions entre le conducteur et le système se font principalement au niveau du volant. En fait, le conducteur ressent l’ensemble des couples qui s’exercent sur la colonne de direction (contacts roues-sol, action du moteur de direction, couple d’auto-alignement).
Il est alors possible en jouant sur la consigne de couple du moteur sur la colonne de direction de faire ressentir au conducteur certains signaux, comme des vibrations, des oscillations ou des mouvements du volant. Cependant, le véhicule ayant une continuité mécanique entre les roues et le volant, l’intensité des signaux et leur forme résulte d’un compromis entre le braquage des roues et le ressentit du conducteur.
L’autre moyen utilisé pour interagir avec le conducteur est un système audio qui permet d’émettre tous types de sons dans l’habitacle. L’émission des signaux sonores peut être latéralisée en fonction des besoins (niveaux du volume gauche et du volume droit ajustables indépendamment).
Les paramètres du véhicule CARRLA ont été en partie mesurés et en partie estimés à partir des paramètres des véhicules similaires (voir Tableau 4.2).
Tab. 4.2 – Nomenclature et valeurs numériques du véhicule d’essai
Dénomination Valeur
BS coefficient d’amortissement de la colonne 15
cf0 coefficient de raideur des pneus avant 40000 N·rad−1 cr0 coefficient de raideur des pneus arrière 35000 N·rad−1 IS moment d’inertie du système de direction 0.05kg·m2 J moment d’inertie de lacet du véhicule 2454 kg·m2 lf distance du centre
de gravité à l’essieu avant 1.22 m lr distance du centre de
gravité à l’essieu arrière 1.44 m
ls distance de visée 0.98 m
m masse totale 1600 kg
RS rapport de réduction de la direction 16
a longueur des essieux 1.5m
v vitesse longitudinale 15m·s−1
ηt largeur de contact du pneu 0.13m
ν adhérence 1
ξ coefficient d’amortisement 0.707
L largeur de la voie 3.5m
KP gain de direction manuelle 1
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