Estimation des accélérations et des forces d’impact

La méthode utilisée pour estimer les forces d’impact du poids lourd comporte deux étapes principales : (i) estimation des forces latérales appliquées sur les essieux, (ii) détermination des forces verticales. L’approche est basée sur l’utilisation d’un différentiateur exact fréquemment utilisé en génie automatique. Il s’agit d’un algorithme d’estimation permettant d’obtenir en temps réel la dérivée d’un signal mesuré, après un temps de convergence limité (on parle de convergence en temps fini). Nous utilisons le différentiateur exact pour obtenir les accélérations de lacet à partir des vitesses de lacet mesurées.

Après estimation des accélérations par le différentiateur exact, nous inversons le modèle mécanique en vue d’obtenir les forces dans le plan de lacet, notamment latérales. Enfin, les forces latérales estimées permettent de reconstituer les forces verticales à partir du modèle de roulis (Figure 6).

Modèle de véhicule Entrées connues :

braquage, couple moteur, angle lacet relatif

Entrées inconnues : forces

d’impact Différentiateur

Inversion de Modèle

Forces d’impact estimées

Figure 6 – Méthode d’estimation des forces d’impact sur poids lourd

Le différentiateur converge en temps fini. L’avantage du différentiateur exact par rapport aux autres (par ex. l’approximation d’Euler) est qu’il ne génère pas de déphasage. Les figures 7 à 12 montrent les résultats de l’estimation des accélérations et des forces latérales et verticales, pour un scénario de conduite en chicane. Les forces estimées sont comparées à celles données par PROSPER. Le véhicule articulé simulé, représentatif du trafic, comporte un tracteur et une semi-remorque à essieu tridem. Les figures 7, 8 et 9 à 12 donnent l’estimation des accélérations de lacet pour le tracteur et la semi-remorque, l’estimation de la force latérale de la remorque (essieu équivalent), et les résultats d’estimation des forces verticales au niveau de la remorque pour différents charges et type d’uni.

Figure 7 – Estimation des accélérations de lacet du tracteur et de la remorque par différentiateur exact

Figure 8 – Estimation de la force totale latérale de remorque

Les accélérations de lacet sont bien estimées à partir des vitesses de lacet mesurées par les gyromètres. La convergence est atteinte en temps fini, par ex. en 0.3 s à la figure 7, ce qui est

Le phénomène de broutement (oscillation à haute fréquence de l’estimée autour de la valeur réelle) dû au mode glissant a pu être réduit à l’aide d’un choix judicieux des gains du différentiateur. De plus, on note l’absence de déphasage entre les accélérations mesurées et estimées ce qui permet de conclure sur l’efficacité du différentiateur exact.

A partir des valeurs estimées des accélérations, on détermine la force latérale totale (figure 8) obtenue par une inversion du modèle. La force latérale est estimée après un court temps de convergence qui correspond au temps de convergence des estimations des accélérations. En vue de tester la robustesse de la méthode, nous avons introduit un profil de chaussée issu d’une acquisition sur la route nationale RN10 et sur une distance de 700 mètres. Le profil est représenté à la figure 10.

Figure 9 – Estimation des forces verticales de la remorque à vide et uni nul

Les forces verticales sont estimées au niveau de chaque essieu. Une première simulation (figure 9) est d’abord réalisée sur un uni parfait (profil de chaussée plat) avec véhicule à vide. Ensuite, l’uni de la RN 10 est introduit dans le simulateur. Trois configurations ont été testées : véhicule à vide, à mi-charge et à pleine charge. Les résultats montrent qu’il existe une sensibilité de

l’estimation par rapport à la charge, due aux erreurs de modélisation et à l’hypothèse que la force latérale estimée est uniformément répartie sur les essieux du tridem (essieu équivalent). L’erreur d’estimation est néanmoins inférieure à 5% pour un véhicule à vide ou à mi-charge et aux alentours de 10% pour un véhicule pleine charge.

Figure 10 – Segment du profil de chaussée de la RN10

Figure 11 – Estimation des forces verticales de remorque à mi-charge (30T)

Figure 12 – Estimation des forces verticales de remorque à pleine charge (40T) 5. Cas d’application : prédiction du renversement

Une applications de l’estimation des forces d’impact est la prédiction du renversement et le contrôle actif permettant de l’éviter. En effet, la connaissance en temps réel et en embarqué des forces d’impact verticales et leur répartition sur les différentes roues permet d’obtenir une indication sur le degré de stabilité du véhicule et sa tendance au renversement. Un dispositif de contrôle permettra aussi de stabiliser les charges et donc réduire leur effet sur la chaussée.

L’approche est basée sur le coefficient de transfert de charge (LTR ou load transfer ratio) calculé à partir des forces d’impact verticales estimées des roues gauches et droites de la remorque. Il est donné par la formule :

Modèle de véhicule

Accélération latérale de la remorque LTR estimé braquage

appliqué d

z g z

d z g z

F F

F LTR F

, ,

, ,

+

= − (21)

où F_z,g et F_z,d sont les sommes des forces verticales des roues gauche et droite de la remorque.

La figure 13 illustre l’estimation du LTR sur un exemple de conduite en chicane.

Figure 13 – Estimation du LTR de la remorque

Le LTR estimé peut être utilisé comme indicateur de risque de renversement du véhicule sachant qu’unLTR=±1 correspond à un décollement des roues et une amorce de renversement. On sélectionne donc un seuil <1 à partir duquel le conducteur est alerté de l’instabilité de la remorque. Des simulations permettent de spécifier une zone de tolérance du LTR.

Un tel système d’alerte peut être couplé à un système de commande active qui permettrait de stabiliser la remorque jusqu’à ce que le conducteur puisse réagir comme indiqué en figure 14.

Figure 14 – Boucle de commande

Dès que le LTR dépasse un seuil de sécurité, le système de contrôle actif est déclenché et agit sur l’angle de braquage du véhicule. La régulation se fait en minimisant l’accélération latérale de la remorque en agissant sur l’angle de braquage pendant un coup instant. Lorsque le LTR n’est plus dans la zone critique, le conducteur peut reprendre la main sur le véhicule, le renversement étant évité.

6. Conclusion

La méthode présentée estime les forces verticales appliquées au niveau des essieux d’un tracteur avec semi-remorque. Elle fournit une solution pratique pour évaluer les charges verticales dynamiques des poids lourds, utilisées pour alerter le conducteur d’une instabilité de la remorque.

Stratégie de commande Angle de braquage

contrôle actif Angle de braquage

du conducteur

également proposé. La boucle de commande sera testée sur simulateur en utilisant différents scénarii de conduite et différentes techniques de commande. La méthode d’estimation des forces d’impact peut également être couplée à un système de contrôle actif (suspension active par exemple) en vue de minimiser les variations des charges dynamiques et de les stabiliser autour des valeurs statiques, pour réduire l’agressivité des poids lourds sur les chaussées et protéger l’infrastructure.

Références

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• Bouteldja, M. (2005), « Modélisation des interactions dynamiques poids lourd/ infrastructures pour la sécurité et les alertes », thèse de doctorat de l’université de Versailles Saint-Quentin.

• Imine, H. & Dolcemascolo, V. (2008), “Sliding mode observers to heavy vehicle vertical forces estimation”, Journal of Heavy Vehicle Systems, 15(1) , 53–64.

• Davis, L. and Bunker, J. (2008), “Suspension testing of 3 heavy vehicles-methodology and preliminary frequency analysis”, Technical report, Queensland University of Technology and Queensland Department of Main Roads.

• Khemoudj, O., Imine, H. and Djemaï, M. (2009), “Unknown input observation via sliding modes: application to vehicle contact forces”, in Proc. IEEE Multi-conference on Systems and Control 2009, 1720-1725

• Khemoudj, O., Imine, H. and Djemaï, M. (2010), “Robust observation of tractor-trailer vertical forces using inverse model and exact differentiator”, SAE World Congress, Detroit, April.

• Delanne, Y., Schmitt, V. and Dolcemascolo, V. (2003), “Heavy truck rollover simulation”, in Proc. 18th International Conference on the Enhanced Safety of Vehicles.

• Saadaoui, H., Manamanni, N., Djemaï, M., Barbot, J.P. and Floquet, T. (2006), “Exact differentiation and sliding mode observers for switched Lagrangian systems”, Nonlinear Analysis, ed. Elsevier, 65(3), 1050-1069.

DIAGNOSTIC DE RUPTURE D'UN ITINÉRAIRE : DÉVELOPPEMENT ET PERSPECTIVES D'UTILISATION

Daniel LECHNER Claire NAUDE INRETS, Département Mécanismes d'Accidents

Salon de Provence, France

Lghani MENHOUR INRETS, Département Mécanismes d'Accidents Salon de Provence, France

HEUDIASYC Compiègne, France Résumé

L'application "Diagnostic de rupture d'un itinéraire" consiste à identifier la vitesse limite de franchissement d'une infrastructure routière, en réalisant par simulation temps réel embarquée une extrapolation des comportements observés dans une situation de conduite maîtrisée vers une perte de contrôle. Ces travaux de recherche menés par l'INRETS MA sur son véhicule laboratoire Peugeot 307 ont été initiés dans le cadre du projet RADARR du programme SARI, et sont illustrés par l'évaluation de la vitesse limite de franchissement sur un site expérimental situé dans les Côtes d'Armor. Les influences de variantes de paramétrage, concernant la pression de gonflage de pneumatiques, les performances du conducteur et l'adhérence du revêtement, sont également illustrées. On évoque enfin les perspectives de déploiement de cette application.

Mots-clés: Dynamique des véhicules, perte de contrôle, automate de conduite, vitesse limite, diagnostic, infrastructure routière, temps réel.

Abstract

The application "Rupture Diagnosis on an Itinerary" is aimed at identifying the maximal achievable speed on a road, through an extrapolation of vehicle behaviour, performed by real time embedded simulations. This research work, carried out on INRETS-MA Laboratory Vehicle Peugeot 307, was initiated in the RADARR project, part of the SARI program. The potential of this concept is illustrated through the search of the maximal achievable speed on one experimental site located in the Côtes d'Armor area. The potential influences of different model parameters, including tire inflation pressure, driver performances and road grip level are also illustrated. Finally the perspectives to deploy this application are evoked.

Keywords: Vehicle dynamics, loss of control, driving automat, maximal speed, diagnosis, road itinerary, real time.

1. Introduction

L'application "DIAgnostic de Rupture d'un Itinéraire", baptisée DIARI, consiste à identifier la vitesse limite de franchissement d'une infrastructure routière. Ces travaux de recherche menés par l'INRETS MA sur son véhicule laboratoire Peugeot 307 (Lechner, 2008) ont été initiés dans le cadre du projet RADARR du programme SARI (Action fédérative du PREDIT), dont l'objectif général était la mise en place sur des itinéraires routiers de systèmes d’informations alertant les conducteurs d’un risque de perte de contrôle de leur véhicule, lié à une rupture physique de l’itinéraire en rase campagne.

1.1 Etat de l'art

De nombreux travaux ont cherché à établir une vitesse de franchissement limite ou conseillée sur une infrastructure. Le modèle le plus simple, traditionnellement utilisé dans les systèmes d'alerte est une extrapolation de la formule de l'accélération transversale ; il ne prend en compte que la courbure de la trajectoire ρ et l'état de surface de la chaussée à travers le coefficient de frottement latéral maximal à l'interface pneumatique-chaussée μ_lat, associé à l'accélération de la pesanteur g (1). La NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration), dans son guide CAMP (2004) pour la conception et le développement des "Curve Warning Systems", complète cette formule en y intégrant l'effet du dévers de la chaussée φ (2). Le modèle développé par Glaser (2004), et utilisé par Sentouh et al. (2006), est plus complet (3) : il intègre également la pente θ, et tente de prendre en compte l'habileté du conducteur à travers le coefficient de frottement longitudinal (resp. latéral) utilisé par celui-ci λ_latμ_max(resp.λ_longμ_max), et quelques caractéristiques qui influencent fortement la stabilité du véhicule, comme la hauteur de son centre de gravitéH, ou la distance entre le centre de gravité et l'axe de l'essieu avant (resp. arrière)L_av (resp. L_ar). Les 3 formules proposées sont les suivantes :

ρ μ_lat

V_max = g (1) _⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

−

= +

lat

g lat

V φμ

μ φ ρ 1

max (2) ( )

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

⎟ −

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

−⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

= λ μ φ

μ λ θ θ

ρ θ ^max

2

max 2

max 1 1 _lat

long

Lav

signe H

V g (3)

S'appuyant également sur des formules de ce type, il convient de citer les travaux réalisés par Gothié (2008) dans le cadre de SARI/IRCAD, qui propose une approche détaillée pour déduire une adhérence mobilisable sur chaussée mouillée, à partir de relevés pluviométriques et d'une analyse des lignes d'écoulement de l'eau en fonction de l'orniérage des chaussées.

Concernant les études d'accidentologie de type clinique sur les pertes de contrôle des véhicules, on notera nos propres travaux à partir d'Etudes Détaillées d'Accidents, intégrant l'évaluation sécuritaire de l'ESP (Lechner, 2003), ainsi que des travaux sur les poids lourds menés dans le cadre du PREDIT2 sur le renversement des citernes (Schaefer et al. 2003), puis dans le cadre du programme K du LCPC, à travers les opérations TRUCKS (2003-2007) et PLINFRA (2008-2011). Des papiers traitant de ces aspects sont présentés par Bouteldja et Cerezo (2010) et Khemoudj et al. (2010).

1.2 Problématique de DIARI

Un diagnostic à grand rendement d’un risque de rupture le long d’un itinéraire ne peut s’envisager de manière opérationnelle qu’avec un véhicule circulant dans le trafic à vitesse et niveau de sollicitation raisonnables, sans faire courir de risques aux usagers. Partant de ce constat, le concept original de DIARI consiste à tirer parti du potentiel de la simulation

Dans le document Conférence sur la Sécurité Routière PRAC Prévention des Risques et Aides à la Conduite (Page 108-118)