Contribution à la modélisation et à la commande de robots mobiles reconfigurables en milieu tout-terrain : application à la stabilité dynamique d'engins agricoles

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robots mobiles reconfigurables en milieu tout-terrain : application à la stabilité dynamique d’engins agricoles

Dieumet Denis

To cite this version:

Dieumet Denis. Contribution à la modélisation et à la commande de robots mobiles reconfigurables en milieu tout-terrain : application à la stabilité dynamique d’engins agricoles. Autre [cond-mat.other].

Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2015. Français. �NNT : 2015CLF22565�. �tel-01241028�

N

d’ordre: D.U : 2565 EDSPIC : 695

Universit´ e Blaise PASCAL-CLERMONT ii Ecole Doctorale ´

Sciences Pour l’Ing´ enieur de Clermont-Ferrand

Th` ese

Pr´ esent´ ee par

Dieumet DENIS

Ing´ enieur ´ Electrom´ ecanicien Master M´ ecatronique pour obtenir le grade de

DOCTEUR D’UNIVERSIT´ E

Sp´ ecialit´ e Vision pour la Robotique

Contribution ` a la mod´ elisation et ` a la commande de robots mobiles reconfigurables en milieu tout-terrain

Application ` a la stabilit´ e dynamique d’engins agricoles

Soutenue publiquement le 7 Avril 2015 devant le Jury:

M. Philippe Martinet Pr´ esident MM. Dominique Meizel Rapporteur

Nacer M’Sirdi Rapporteur

Benoˆıt Thuilot Examinateur

Mathieu Richier Examinateur

Michel Berducat Examinateur

Roland Lenain Directeur de th` ese

A mon d´ efunt p` ere,

`

a ma famille,

`

a Gwen, ma ch´ erie

R´ esum´ e

La th´ ematique ´ etudi´ ee dans ce m´ emoire est ax´ ee sur la pr´ eservation de la stabilit´ e dynamique de v´ ehicules ´ evoluant en environnement naturel. En effet, la mobilit´ e en mi- lieu tout-terrain est une activit´ e particuli` erement p´ enible et dangereuse en raison de la nature difficile de l’environnement de conduite et de la reconfigurabilit´ e des machines.

Le caract` ere changeant et incertain des interactions rencontr´ ees entre des v´ ehicules ` a dy- namique complexe et variable et leur environnement entraˆıne r´ eguli` erement des risques accrus de renversement et/ou de perte de contrˆ ole (d´ evalement, d´ erapage d´ eclench´ e par une perte soudaine d’adh´ erence) pour le conducteur. Une forte accidentalit´ e mortelle est, en effet, recens´ ee dans ce secteur, en particulier, dans le milieu agricole o` u le renversement de v´ ehicule est class´ e comme ´ etant la premi` ere cause de mortalit´ e au travail. A l’heure actuelle, les approches existantes sur la stabilit´ e d’engins agricoles sont qualifi´ ees ` a juste titre de passives car elles ne permettent pas d’´ eviter que les accidents ne se produisent. Par ailleurs, la transposition directe des solutions de s´ ecurit´ e active du secteur de l’automo- bile (ABS, ESP) s’est r´ ev´ el´ ee inadapt´ ee aux v´ ehicules tout-terrain ` a cause des hypoth` eses simplificatrices (routes plates et homog` enes, conditions d’adh´ erence constantes, etc. . . ) dont souffre la conception de ces dispositifs. Ainsi, le d´ eveloppement de syst` emes actifs de s´ ecurit´ e prenant en compte les sp´ ecificit´ es de la conduite en milieu tout-terrain se r´ ev` ele ˆ etre la meilleure voie d’am´ elioration ` a suivre. Eu ´ egard ` a ces circonstances, ce projet se propose d’adresser cette probl´ ematique en ´ etudiant des m´ etriques de stabilit´ e pertinentes permettant d’estimer et d’anticiper en temps r´ eel les risques afin de permettre des actions correctives pour la pr´ eservation de l’int´ egrit´ e des machines tout-terrain. Afin de faciliter l’industrialisation du dispositif actif de s´ ecurit´ e con¸cu, l’une des contraintes soci´ etales et commerciales de ce projet a ´ et´ e l’utilisation de capteurs compatibles avec le coˆ ut des ma- chines vis´ ees.

L’objectif ambitieux de cette ´ etude a ´ et´ e atteint par diff´ erentes voies. En premier lieu, une approche de mod´ elisation multi-´ echelle a permis de caract´ eriser l’´ evolution dynamique de v´ ehicules en milieu tout-terrain. Cette approche ` a dynamique partielle a offert l’avan- tage de d´ evelopper des mod` eles suffisamment pr´ ecis pour ˆ etre repr´ esentatifs du comporte- ment r´ eel de l’engin mais tout en pr´ esentant une structure relativement simple permettant la synth` ese d’asservissements performants. Puis, une ´ etude comparative des avantages et des inconv´ enients des trois grandes familles de m´ etriques repertori´ ees dans la litt´ erature a permis de mettre en exergue l’int´ erˆ et des m´ etriques analytiques ` a mod` ele dynamique par rapport aux cat´ egories de crit` eres de stabilit´ e dits statiques et empiriques. Enfin, l’analyse approfondie des m´ etriques dynamiques a facilit´ e le choix de trois indicateurs (Lateral and Longitudinal Load Transfer (LLT), Force Angle Stability Measurement (FASM) et Dyna- mic Energy Stability Measurement (DESM)) qui sont repr´ esentatifs d’un risque imminent de renversement du v´ ehicule.

La suite du m´ emoire s’appuie sur la th´ eorie d’observation pour l’estimation en ligne

des variables non directement mesurables en milieu tout-terrain telles que les rigidit´ es

de glissement et d´ erive du pneumatique. Jumel´ ee aux diff´ erents mod` eles dynamiques du

v´ ehicule, la synth` ese d’observateurs a permis donc d’estimer en temps r´ eel les efforts d’interaction pneumatiques-sol n´ ecessaires ` a l’´ evaluation des indicateurs d’instabilit´ e. Le couplage de ces mod` eles multi-´ echelles ` a la th´ eorie d’observation a ainsi constitu´ e un po- sitionnement original ` a mˆ eme de briser la complexit´ e de la caract´ erisation de la stabilit´ e de v´ ehicules ` a dynamiques complexes et incertaines.

Somme toute, en s’appuyant sur l’estimation des efforts de contact roues-sol, les trois m´ etriques retenues ont pu ˆ etre ´ evalu´ ees pour la caract´ erisation du risque d’instabilit´ e de l’engin en temps r´ eel. Une analyse comparative approfondie bas´ ee sur diff´ erents types de sc´ enarii accidentog` enes a montr´ e la pertinence et la concordance des m´ etriques entres elles dans la d´ etection du risque de renversement du v´ ehicule. Par ailleurs, il s’est r´ ev´ el´ e n´ ecessaire de pr´ eserver la pertinence de l’estimation du risque par rapport ` a la reconfigu- rabilit´ e de la machine. A cet effet, le d´ eveloppement d’un algorithme adaptatif a permis de r´ eduire la sensibilit´ e de l’estimation des m´ etriques de renversement vis-` a-vis de la reconfiguration de l’engin. Cet estimateur adaptatif bas´ e sur le couplage d’une mesure intermittente et de l’estimation du risque encouru a facilit´ e l’adaptation et le recalage des param` etres dynamiques du mod` ele d’estimation du risque. La pertinence et la re- pr´ esentativit´ e de l’estimation du risque dans un contexte difficile et changeant ont ainsi

´ et´ e pr´ eserv´ ees quelles que soient les variations de configuration du v´ ehicule et/ou des conditions d’interaction avec l’environnement. Entre autre, si la conduite d’engins tout- terrain est r´ eguli` erement confront´ ee ` a des situations de pertes totales d’adh´ erence des pneumatiques avec le sol conduisant ` a des risques accrus de d´ evalement, peu de crit` eres formels permettant d’appr´ ehender finement ce type de risque existent. Ainsi, la boucle a

´

et´ e boucl´ ee par le d´ eveloppement d’un crit` ere bas´ e sur l’estimation des coefficients de ri- gidit´ es de glissement pour la caract´ erisation du risque de perte de contrˆ olabilit´ e de l’engin.

Au-del` a des essais de simulation avanc´ ee qui ont corrobor´ e dans un premier temps la pertinence des travaux d´ evelopp´ es, d’autres essais exp´ erimentaux r´ ealis´ es sur une machine

`

a vendanger G7.240 ont permis d’en tirer quelques conclusions sur la caract´ erisation de la stabilit´ e dynamique de v´ ehicules ´ evoluant en milieu tout-terrain. Ces travaux ont ainsi ouvert la voie ` a diff´ erentes perspectives pour le d´ eveloppement de dispositifs actifs visant

`

a sauver des vies en am´ eliorant la s´ ecurit´ e des conducteurs d’engins tout-terrain.

Mots-clefs : Robots mobiles ` a roues, stabilit´ e dynamique, syst` emes actifs de s´ ecurit´ e,

m´ etrique de stabilit´ e ou indicateur de risque, renversement, d´ evalement, glissement, milieu

tout-terrain, mod´ elisation, observateurs, commandes adaptive et pr´ edictive, machinisme

agricole, agriculture m´ ecanis´ ee

Contribution to the modeling and to the control of reconfigurable mobile robots in off-road environments

Application to the dynamic stability of agricultural machinery

This work is focused on the thematic of the maintenance of the dynamic stability of off-road vehicles. Indeed, driving vehicles in off-road environment remains a dangerous and harsh activity because of the variable and bad grip conditions associated to a large diversity of terrains. Driving difficulties may be also encountered when considering huge machines with possible reconfiguration of their mechanical properties (changes in mass and centre of gravity height for instance). As a consequence, for the sole agriculture sec- tor, several fatal injuries are reported per year in particular due to rollover situations.

Passive protections (ROllover Protective Structure - ROPS) are installed on tractors to reduce accident consequences. However, protection capabilities of these structures are very limited and the latter cannot be embedded on bigger machines due to mechanical design limitations. Furthermore, driving assistance systems (such as ESP or ABS) have been deeply studied for on-road vehicles and successfully improve safety. These systems usually assume that the vehicle Center of Gravity (CG) height is low and that the vehicles are operating on smooth and level terrain. Since these assumptions are not satisfied when considering off-road vehicles with a high CG, such devices cannot be applied directly.

Consequently, this work proposes to address this research problem by studying relevant stability metrics able to evaluate in real time the rollover risk in order to develop active safety devices dedicated to off-road vehicles. In order to keep a feasible industrialization of the conceived active safety device, the use of compatible sensors with the cost of the machines was one of the major commercial and societal requirements of the project.

The ambitious goal of this study was achieved by different routes. First, a multi-scale modeling approach allowed to characterize the dynamic evolution of off-road vehicles. This partial dynamic approach has offered the advantage of developing sufficiently accurate mo- dels to be representative of the actual behavior of the machine but having a relatively simple structure for high-performance control systems. Then, a comparative study of the advantages and drawbacks of the three main families of metrics found in the literature has helped to highlight the interest of dynamic stability metrics at the expense to cate- gories of so-called static and empirical stability criteria. Finally, a thorough analysis of dynamic metrics has facilitated the choice of three indicators (Longitudinal and Lateral Load Transfer (LLT), Force Angle Stability Measurement (FASM) and Dynamic Energy Stability Measurement (DESM)) that are representative of an imminent rollover risk.

The following of the document is based on the observation theory for estimating online

of variables which are not directly measurable in off-road environment such as slip and

cornering stiffnesses. Coupled to the dynamic models of the vehicle, the theory of observers

has helped therefore to estimate in real time the tire-soil interaction forces which are ne-

3 cessaries for evaluating indicators of instability. The coupling of these multiscale models to the observation theory has formed an original positioning capable to break the complexity of the characterization of the stability of vehicles having complex and uncertain dynamics.

Thanks to the estimation of soil contact wheels efforts, the three selected metrics have been evaluated for the risk characterization of instability of the vehicle in real time. A thorough comparative analysis based on different types of accident-prone scenarios was shown the relevance and consistency among these metrics in the detection of the risk of vehicle rollover. Moreover, in order to preserve a reasonable level of accuracy of the rollover risk estimation, an adaptation algorithm taking part of an occasional measure- ment of vertical load is developed. The adaptative approach uses then this intermittent information when it is available in order to adapt the vehicle parameters and adjusts in real time the vehicle dynamic model. This then allows to monitor the stability of the vehicle whatever the state of the slope correction system, the soil type and the load of the machine. In addition to monitoring, such a model is then suitable for anticipating the instability risk of the vehicle and to develop active safety systems and driver assistance.

Moreover, whether the driving of all-terrain vehicles regularly faces total loss of tire grip with the ground resulting in increased risk of hurtling down, few formal criteria to finely evaluate this risk exist. Thus, the loop was looped through the development of a criterion based on the estimated slip stiffness coefficients for the characterization of the risk of loss of controllability of the vehicle.

The relevance of all developments described in this document was corroborated through advanced simulation trials and experimental tests realized with a grape harvester G7.240 manufactured by Gregoire SAS. The analysis of these experimental results allowed to draw some conclusions on the the characterization of the dynamic stability of off-road vehicles.

Finally, this work has paved the way for many prospects for the development of active devices for saving lives by improving the security of all-terrain vehicle drivers.

Keywords : Wheeled mobile robots, dynamic stability, Lateral and Longitudinal Load

Transfer, Force Angle Stability Measurement, Dynamic Energy Stability Measurement,

rollover, hurtling down and skidding risks, Active Security Devices, adaptive and predic-

tive control, observer, dynamic model, agricultural machines.

Remerciements

Ce m´ emoire est le fruit de trois ann´ ees de longs et durs labeurs pass´ ees principalement au sein de l’Institut Pascal (dirig´ e par Michel DHOME), avec de nombreux allers-retours dans les locaux de l’Irstea (dirig´ e par Emmanuel HUGO). Plus g´ en´ eralement, ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet collaboratif ActiSurTT financ´ e l’Agence Nationale de la Recherche. J’adresse donc, tout d’abord, mes remerciements ` a tous les personnels de ces deux instituts de recherche et ´ egalement ` a tous les partenaires du consortium ActiSurTT, dont la pluridisciplinarit´ e des th´ ematiques et des personnes m’a ´ et´ e tr` es profitable.

Je souhaite ensuite remercier les membres de mon jury, pr´ esid´ e par Philippe MAR- TINET, qui ont eu l’amabilit´ e d’examiner mes travaux : Dominique MEIZEL et Nacer M’SIRDI qui ont rapport´ e le m´ emoire ainsi que Mathieu RICHIER pour ses remarques pertinentes.

A mon humble avis, pour ˆ etre un excellent chercheur il faut obligatoirement faire preuve de cr´ eativit´ e. Or, plus cr´ eatif que mon directeur de th` ese, Roland LENAIN, je ne connais pas. ˆ Etre dirig´ e par quelqu’un de cr´ eatif est un privil` ege. Alors, merci Roland pour ce privil` ege, pour ta cr´ eativit´ e et aussi ton humour. L’humour est certes un art difficile mais il faut reconnaˆıtre que tu te d´ ebrouilles assez bien. Tr` es reconnaissant d’avoir eu un directeur de th` ese qui malgr´ e ses nombreuse activit´ es a toujours ´ et´ e disponible et dispos´ e pour r´ epondre ` a toutes mes questions. Il a su me diriger avec panache et mˆ eme prendre le volant quand il le fallait afin de m’´ eviter de prendre ` a contre sens l’autoroute de la recherche scientifique, et ceci tout en me laissant une tr` es forte autonomie pour pouvoir exprimer mes id´ ees. Aujourd’hui, je ne peux r´ esister ` a l’envie de le paraphraser pour lui dire :”A tr` es bientˆ ot pour de nouvelles aventures” .

Je tiens ` a exprimer ma profonde gratitude et mes sinc` eres remerciements ` a Benoˆıt THUILOT qui a toujours cru en moi d` es mon arriv´ ee en France pour ma sp´ ecialisation en Master M´ ecatronique au sein du D´ epartement de Physique de l’Universit´ e Blaise Pascal.

Cette confiance qu’il toujours a plac´ ee en ma personne a fait suite ` a l’obtention de ma bourse de th` ese. Merci Benoˆıt pour ta confiance. Merci ´ egalement pour ta rigueur bien- veillante, tes critiques constructives et ta m´ eticulosit´ e qui m’ont permis d’avancer sur les sentiers escarp´ es de la recherche scientifique. Sans vouloir fayoter, je reste persuader que tu es et resteras l’un de mes mod` eles. Loin d’ˆ etre un masochiste mais j’esp` ere que nous aurons encore la chance de perdre quelques heures de sommeil pour corriger des articles r´ edig´ es dans la langue de Shakespeare.

J’adresse de vifs remerciements ` a Michel BERDUCAT pour avoir non seulement fait partie de mon jury de th` ese mais ´ egalement pour sa gentillesse et sa bonne humeur. Les nombreuses heures pass´ ees sur les autoroutes fran¸caises dans le cadre du projet ActiSurTT auraient ´ et´ e lassantes sans son enthousiasme et son humour.

J’aimerais ´ egalement remercier Philippe H´ ERITIER qui, sans son aide les nombreux essais qui ont permis la validation exp´ erimentale des travaux de cette th` ese n’auraient pas

´ et´ e possible.

Je tiens ´ egalement ` a remercier mon coll` egue de bureau, mon ”petit” Jose Miguel VILCA

qui a eu le courage de supporter quotidiennement mes nombreuses petites calottes ami-

cales. Merci ´ egalement Miguel pour tes nombreuses aides en Latex.

Je remercie amplement l’ensemble des secr´ etaires de l’Institut Pascal et, en particulier Eliane DE DEA et Vanessa CHAUDRON dont leur aide m’a ´ et´ e pr´ ecieuse pour les d´ e- marches administratives.

J’adresse toute ma gratitude et mes remerciements ` a ma d´ elicieuse ch´ erie, Gwena¨elle MAZET, pour son soutien in´ ebranlable. Ses encouragements ont ´ et´ e vitaux pour moi dans les moments difficiles et sceptiques et, surtout durant la r´ edaction du m´ emoire. Merci pour tout, ma ch´ erie.

Je remercie les membres de ma famille (qui sont en Ha¨ıti et aux ´ Etats-Unis) pour leurs encouragements qui, mˆ eme ` a distance, m’ont ´ et´ e d’un r´ eel r´ econfort. Tous mes amis qui se reconnaissent (oui, je sais que c’est un peu de la facilit´ e mais je n’ai pas trouv´ e d’autres astuces permettant de contourner le p´ erilleux exercice de remerciements dont la principale difficult´ e tient dans le fait de n’oublier personne) doivent ˆ etre remerci´ es pour leur soutien plus qu’amical. Merci pour nos petites soir´ ees hebdomadaires bien arros´ ees (avec mod´ eration, bien sˆ ur !) qui ont ´ et´ e d’une importance capitale pour l’´ evacuation du stress provoqu´ e parfois par la th` ese.

Finalement, je dis un grand merci ` a tous ceux et ` a toutes celles qui n’ont pas eu

leur nom figur´ e dans cette liste mais qui ont, d’une mani` ere ou d’une autre, apport´ e leur

soutien ` a l’accomplissement de ces trois ann´ ees de th` ese.

Table des mati` eres

1 Introduction g´ en´ erale 1

1.1 Introduction . . . . 2

1.2 Probl´ ematique li´ ee ` a la stabilit´ e de machines agricoles . . . . 4

1.3 Contexte scientifique et industriel . . . . 6

1.4 Structuration du m´ emoire . . . . 8

1.5 Enjeux pour la s´ ecurit´ e de la mobilit´ e en milieu agricole . . . . 10

1.5.1 Accidentalit´ e du machinisme agricole . . . . 10

1.5.2 Voie d’am´ eliorations et retomb´ ees ´ economiques . . . . 12

1.6 Sc´ enarii types de renversement en milieu tout-terrain . . . . 13

1.6.1 Sc´ enario de d´ ecrochage . . . . 14

1.6.2 Sc´ enario de renversement . . . . 14

1.6.3 Sc´ enario de renversement en circulation routi` ere . . . . 16

1.6.4 Conclusion . . . . 16

1.7 Approches existantes sur la stabilit´ e des v´ ehicules . . . . 17

1.7.1 S´ ecurit´ e active des v´ ehicules routiers . . . . 17

1.7.2 S´ ecurit´ e passive des machines agricoles . . . . 22

1.8 M´ ecanisme de l’accident en milieu naturel . . . . 25

1.8.1 Sp´ ecificit´ es de la conduite en milieu naturel . . . . 25

1.8.2 Param` etres influen¸cant la stabilit´ e du v´ ehicule . . . . 26

1.9 Th´ ematiques et axes de recherche . . . . 35

1.10 Conclusion du chapitre . . . . 36

2 Mod´ elisation analytique du comportement dynamique de v´ ehicules en milieux tout-terrains 39 2.1 Mod´ elisation analytique du v´ ehicule . . . . 39

2.1.1 Introduction . . . . 39

2.1.2 Dynamique de tangage du v´ ehicule . . . . 40

2.1.3 Dynamique de roulis du v´ ehicule . . . . 43

2.1.4 Expression des efforts normaux de contact roues/sol . . . . 44

2.1.5 Expression des acc´ el´ erations longitudinale (a

) et lat´ erale (a

) . . . 46

2.1.6 Expression des angles de roulis (ϕ

) et de tangage (ϕ

) . . . . 47

2.1.7 Dynamique de lacet du v´ ehicule . . . . 48

2.1.8 Mod´ elisation de l’interaction roues/sol . . . . 54 2.1.9 Identification des param` etres des mod` eles dynamiques du v´ ehicule . 72

i

2.2 M´ etriques de stabilit´ e de v´ ehicule . . . . 74

2.2.1 Introduction . . . . 74

2.2.2 M´ etriques empiriques . . . . 75

2.2.3 M´ etriques analytiques ` a mod` eles statiques . . . . 78

2.2.4 M´ etriques analytiques ` a mod` eles dynamiques . . . . 88

2.2.5 Analyse des avantages et inconv´ enients de chaque famille de m´ etriques 96 2.2.6 Choix des m´ etriques de stabilit´ e . . . . 97

2.2.7 D´ efinition des diff´ erents domaines de stabilit´ e du v´ ehicule . . . . 98

2.2.8 Param` etres n´ ecessaires au calcul des m´ etriques choisies . . . . 99

2.3 Conclusion du chapitre . . . 100

3 Estimation des param` etres caract´ eristiques des m´ etriques de stabilit´ e par observation 103 3.1 Introduction . . . 104

3.2 G´ en´ eralit´ es sur la th´ eorie d’observation . . . 105

3.2.1 Introduction . . . 105

3.2.2 Probl´ ematique de l’observabilit´ e d’un syst` eme . . . 106

3.2.3 M´ ethodologie de construction d’un observateur . . . 108

3.2.4 Application des synth` eses d’observateurs en robotique mobile . . . . 110

3.2.5 Algorithme d’adaptation de param` etres en ligne par descente de gradient . . . 112

3.2.6 Conclusion . . . 114

3.3 Bilan des efforts et moments de d´ estabilisation du v´ ehicule . . . 114

3.3.1 Introduction . . . 114

3.3.2 Bilan des Forces d’interaction roues/sol . . . 114

3.3.3 Bilan des Moments d’interaction roues/sol dans le plan de lacet . . 117

3.3.4 Bilan des Moments d’interaction roues/sol dans le plan de roulis . . 117

3.3.5 Conclusion . . . 117

3.4 Estimation de la dynamique verticale du v´ ehicule . . . 118

3.4.1 Estimation du d´ evers et de la pente du terrain . . . 118

3.4.2 Observation de l’angle de d´ erive global du v´ ehicule . . . 120

3.4.3 R´ esultats de la validation du mod` ele de v´ ehicule . . . 121

3.5 Observation de la dynamique lat´ erale du v´ ehicule . . . 127

3.5.1 Estimation de la force lat´ erale globale par observation . . . 127

3.5.2 R´ epartition de la force lat´ erale globale . . . 129

3.5.3 R´ esultats de simulation r´ ealiste . . . 130

3.5.4 R´ esultats exp´ erimentaux . . . 131

3.6 Estimation de la dynamique longitudinale du v´ ehicule par observation . . . 135

3.6.1 Observation de la force longitudinale globale . . . 135

3.6.2 R´ epartition de la force longitudinale globale . . . 136

3.6.3 R´ esultats de simulation avanc´ ee . . . 137

3.6.4 R´ esultats exp´ erimentaux . . . 138

3.7 Estimation de la position instantan´ ee des roues . . . 139

3.7.1 Position des roues dans le rep` ere li´ e au Centre de Roulis (O

) . . . 140

Table des mati` eres iii

3.7.2 Position des roues dans le rep` ere li´ e au Centre de Gravit´ e (G) . . . 141

3.7.3 R´ esultats de simulation r´ ealiste . . . 143

3.8 Conclusion du chapitre . . . 143

4 Caract´ erisation de la stabilit´ e dynamique de v´ ehicules reconfigurables en milieux naturels 145 4.1 Introduction . . . 145

4.2 Analyse comparative des m´ etriques retenues . . . 146

4.2.1 Introduction . . . 146

4.2.2 Simulation des sc´ enarii accidentog` enes types . . . 146

4.2.3 Estimation des diff´ erentes m´ etriques . . . 149

4.2.4 Evaluation des m´ etriques de stabilit´ e en simulation avanc´ ee . . . 149

4.2.5 Mesure des m´ etriques de stabilit´ e en exp´ erimentation r´ eelle . . . 151

4.2.6 R´ esultats de Simulation r´ ealiste . . . 153

4.2.7 R´ esultats exp´ erimentaux . . . 176

4.2.8 Conclusion . . . 181

4.3 Estimation adaptative du risque de renversement . . . 183

4.3.1 Introduction . . . 183

4.3.2 Mesure du risque de renversement . . . 183

4.3.3 Mod` ele d’estimation du risque de renversement . . . 184

4.3.4 Couplage du Transfert de Charge estim´ e et mesur´ e et Recalage du mod` ele dynamique du v´ ehicule . . . 186

4.3.5 Adaptation des param` etres du v´ ehicule . . . 188

4.3.6 R´ esultats exp´ erimentaux . . . 195

4.3.7 Conclusion . . . 207

4.4 Caract´ erisation du risque de d´ evalement du v´ ehicule . . . 208

4.4.1 Introduction . . . 208

4.4.2 Indicateur du risque de d´ evalement . . . 208

4.4.3 Estimation des conditions d’adh´ erence longitudinale . . . 209

4.4.4 Sc´ enario de d´ evalement et d´ etection du risque . . . 224

4.4.5 R´ esultats exp´ erimentaux . . . 226

4.4.6 Conclusion . . . 227

4.5 Conclusion du chapitre . . . 227

5 Conclusion g´ en´ erale 231 5.1 Bilan des principales contributions scientifiques . . . 231

5.1.1 Synth` ese des m´ etriques de stabilit´ e pour la caract´ erisation du risque de renversement . . . 231

5.1.2 D´ eveloppement d’un syst` eme d’´ evaluation adaptive du risque de renversement . . . 233

5.1.3 Mod´ elisation pertinente du comportement r´ eel du v´ ehicule dans son environnement . . . 234

5.1.4 D´ eveloppement d’un indicateur de d´ evalement . . . 234

5.2 Valorisation industrielle des r´ esultats obtenus . . . 235

5.3 En perspective de la conception d’un syst` eme actif de s´ ecurit´ e . . . 235 5.3.1 Gestion des incertitudes pour des syst` emes m´ ecatroniques robustes 236 5.3.2 Hybridation des m´ etriques . . . 236 5.3.3 Mise en œuvre d’un dispositif actif de s´ ecurit´ e . . . 242 A Moyens de simulation et d’exp´ erimentation 245 A.1 Simulateur r´ ealiste SCANeR Studio . . . 245 A.2 Machine ` a vendanger G7.240 . . . 247

B Mod` eles analytiques de v´ ehicule 249

B.1 Mod` ele de roulis . . . 249

B.2 Mod` ele de lacet . . . 252

C M´ ethode de calcul de la FASM et de la DESM 255

C.1 Calcul de la FASM . . . 255

C.2 Calcul de la DESM . . . 257

Chapitre 1

Introduction g´ en´ erale

1

1.1 Introduction

Si aujourd’hui, la parole est consid´ er´ ee comme faisant partie de l’apanage exclusif de l’ˆ etre humain, l’utilisation et la fabrication d’outils ne sont toutefois pas le propre de l’homme. D’autres esp` eces du r` egne animal, en particulier des primates comme les chimpanz´ es, en font utilisation. En effet, ` a la fin des ann´ ees 1950, Jane Goodall [Mag]

a observ´ e pour la premi` ere fois en Tanzanie que les chimpanz´ es savent s´ electionner une tige de plante ` a la taille id´ eale, puis l’effeuiller soigneusement avant d’en effranger le bout

`

a l’aide de leurs dents jusqu’` a en faire une sorte de brosse qu’ils enfoncent d’environ 30 cm dans une termiti` ere. Et quelques instants plus tard, le tour est jou´ e : les chimpanz´ es n’ont plus qu’` a retirer les brindilles o` u sont suspendues les termites pour les d´ eguster.

Par ailleurs, les chercheurs continuent d’observer des comportements ing´ enieux chez les chimpanz´ es jusqu’` a l’` ere actuelle. En effet, une ´ equipe de primatologues dirig´ ee par Dr Catherine Hobaiter de l’Universit´ e de St Andrews en ´ Ecosse a tout r´ ecemment observ´ e et analys´ e en Ouganda de nouvelles m´ ethodes ´ elabor´ ees par les chimpanz´ es pour fabriquer des feuilles d’´ eponges, et de les utiliser pour boire [BBC].

Evidemment, les outils mis au point par nos plus proches cousins qui partagent envi- ´ ron 96% de notre patrimoine g´ en´ etique restent toutefois rudimentaires par rapport ` a nos r´ ealisations. Cette diff´ erence fondamentale r´ eside dans notre capacit´ e ` a explorer notre cer- veau pour la compr´ ehension des lois de la nature. En effet, dot´ e de capacit´ es rationnelles nettement sup´ erieures au singe, l’homme raisonne pour construire, am´ enager et transfor- mer son monde ` a l’aide d’outils beaucoup plus sophistiqu´ es que ceux des autres primates.

Ce tel niveau de d´ eveloppement atteint aujourd’hui est le fruit de l’´ evolution de l’esp` ece humaine et de la capitalisation de ses connaissances. En effet, depuis la nuit des temps, l’homme a toujours su faire preuve d’ing´ eniosit´ e en d´ eveloppant des outils capables de les prot´ eger contre les al´ eas de la nature afin de s’assurer bien-ˆ etre, prosp´ erit´ e et pro- gr` es. Dans cette quˆ ete incessante de progr` es, plusieurs types de solutions scientifiques et technologiques ont vu le jour. Parmi ces avanc´ ees technologiques, les robots mobiles qui sont des outils m´ ecatroniques complexes occupent une place de choix dans nos activit´ es industrielles.

Ces v´ ehicules autonomes complexes trouvent des applications dans des domaines di-

vers et vari´ es, soit pour intervenir ` a la place ou en prolongement de l’homme. A titre

d’exemples, on peut citer des missions d’exploration spatiale (Sojourner, Spirit and Op-

portunity, Curiosity) de la NASA comme illustr´ e sur la figure 1.1(a) ou encore des missions

de reconnaissance dans des milieux radioactifs. En effet, suite au tsunami qui a ravag´ e le

Japon en mars 2011, pour avancer les travaux dans les d´ ecombres de la centrale nucl´ eaire

de Fukushima-Daiichi sans risquer des vies humaines, Toshiba a pr´ esent´ e un mod` ele qua-

drup` ede, illustr´ e sur la figure 1.1(b), capable d’´ evoluer sur des terrains accident´ es, de

monter des escaliers et d’´ eviter les obstacles qui jonchent le sol. Les exemples d’applica-

tion de la robotique mobile sont l´ egion. Toutefois, les travaux pr´ esent´ es dans ce m´ emoire

se focalisent particuli` erement sur les d´ eveloppements concernant le d´ eplacement des v´ e-

hicules terrestres en milieu naturel.

Introduction g´ en´ erale 3

(a) Rovers d’exploration spatiale de la NASA (b) Robot d’intervention dans la centrale nucl´ eaire de Fukushima

Figure 1.1 – Diverses applications des robots mobiles

Par d´ efinition mˆ eme, ces v´ ehicules robotis´ es sont d´ edi´ es ` a se mouvoir pour accomplir leurs tˆ aches dans des environnements non structur´ es et d´ eformables. Ainsi, ils se trouvent confronter ` a un d´ efi majeur : ˆ etre capables d’effectuer leurs missions tout en pr´ eservant leur int´ egrit´ e. En ce sens, les premiers d´ eveloppements concernant le d´ eplacement des robots mobiles autonomes en milieux naturels se concentraient sur les th´ ematiques de localisation et de franchissement d’obstacles ` a faibles vitesses. Ensuite, au vu des importantes retom- b´ ees applicatives constat´ ees, les v´ ehicules robotis´ es ont vu leur champ d’action ´ elargi au fil du temps. De telles extensions ont entraˆın´ e l’augmentation de la taille et de la vitesse de ces robots mobiles autonomes et, par ricochet, le contingentement des lois de commande con¸cues au pr´ ealable pour les robots mobiles ` a basses vitesses. Ces limitations sont surtout li´ ees ` a des ph´ enom` enes m´ ecaniques et environnementaux encore peu trait´ es jusqu’ici. En effet, l’´ evolution ` a haute vitesse sur des terrains ` a g´ eom´ etrie accident´ ee et variable et la variabilit´ e des conditions d’adh´ erence rencontr´ ees peuvent gravement nuire ` a la pr´ eserva- tion de l’int´ egrit´ e du robot, soit en provoquant une situation d’instabilit´ e (renversement lat´ eral ou cabrage, d´ evalement) ou soit par l’incapacit´ e de franchir un obstacle. En sus de ces facteurs d’instabilit´ e inh´ erents ` a la nature de l’environnement d’´ evolution des v´ ehicules robotis´ es, d’autres contraintes m´ ecaniques sont ` a prendre en compte. En effet, la plupart de ces syst` emes robotis´ es sont qualifi´ es de v´ ehicules reconfigurables, c’est-` a-dire de v´ ehi- cules dont la g´ eom´ etrie et la r´ epartition de masse peuvent ˆ etre modifi´ ees en temps-r´ eel.

Si ces ph´ enom` enes dynamiques li´ es ` a la reconfiguration de l’engin et ` a son environnement d’´ evolution ne sont pas pris en compte, la commandabilit´ e du v´ ehicule sera nettement biais´ ee.

Si de nombreux travaux [Pai10, Gue10, BAM13] traitent les probl` emes d’´ evitement

d’obstacle ou encore de poursuite de trajectoire [Len05] dans la litt´ erature, alors peu

de contributions concernent le maintien de la stabilit´ e dynamique des robots ´ evoluant ` a

haute vitesse en milieux non-structur´ es. L’objectif de ce m´ emoire trouve alors son int´ erˆ et

dans le d´ eveloppement de lois de commande permettant de maintenir l’int´ egrit´ e de robots

mobiles ´ evoluant en milieu tout-terrain. Dans cet objectif de pr´ eservation de la stabilit´ e

dynamique du robot, trois grands axes de recherche seront particuli` erement privil´ egi´ es

(a) Rovers d’exploration spatiale de la NASA (b) Robot d’intervention dans la centrale nucl´ eaire de Fukushima

Figure 1.1 – Diverses applications des robots mobiles

Par d´ efinition mˆ eme, ces v´ ehicules robotis´ es sont d´ edi´ es ` a se mouvoir pour accomplir leurs tˆ aches dans des environnements non structur´ es et d´ eformables. Ainsi, ils se trouvent confronter ` a un d´ efi majeur : ˆ etre capables d’effectuer leurs missions tout en pr´ eservant leur int´ egrit´ e. En ce sens, les premiers d´ eveloppements concernant le d´ eplacement des robots mobiles autonomes en milieux naturels se concentraient sur les th´ ematiques de localisation et de franchissement d’obstacles ` a faibles vitesses. Ensuite, au vu des importantes retom- b´ ees applicatives constat´ ees, les v´ ehicules robotis´ es ont vu leur champ d’action ´ elargi au fil du temps. De telles extensions ont entraˆın´ e l’augmentation de la taille et de la vitesse de ces robots mobiles autonomes et, par ricochet, le contingentement des lois de commande con¸cues au pr´ ealable pour les robots mobiles ` a basses vitesses. Ces limitations sont surtout li´ ees ` a des ph´ enom` enes m´ ecaniques et environnementaux encore peu trait´ es jusqu’ici. En effet, l’´ evolution ` a haute vitesse sur des terrains ` a g´ eom´ etrie accident´ ee et variable et la variabilit´ e des conditions d’adh´ erence rencontr´ ees peuvent gravement nuire ` a la pr´ eserva- tion de l’int´ egrit´ e du robot, soit en provoquant une situation d’instabilit´ e (renversement lat´ eral ou cabrage, d´ evalement) ou soit par l’incapacit´ e de franchir un obstacle. En sus de ces facteurs d’instabilit´ e inh´ erents ` a la nature de l’environnement d’´ evolution des v´ ehicules robotis´ es, d’autres contraintes m´ ecaniques sont ` a prendre en compte. En effet, la plupart de ces syst` emes robotis´ es sont qualifi´ es de v´ ehicules reconfigurables, c’est-` a-dire de v´ ehi- cules dont la g´ eom´ etrie et la r´ epartition de masse peuvent ˆ etre modifi´ ees en temps-r´ eel.

Si ces ph´ enom` enes dynamiques li´ es ` a la reconfiguration de l’engin et ` a son environnement d’´ evolution ne sont pas pris en compte, la commandabilit´ e du v´ ehicule sera nettement biais´ ee.

Si de nombreux travaux [Pai10, Gue10, BAM13] traitent les probl` emes d’´ evitement

d’obstacle ou encore de poursuite de trajectoire [Len05] dans la litt´ erature, alors peu

de contributions concernent le maintien de la stabilit´ e dynamique des robots ´ evoluant ` a

haute vitesse en milieux non-structur´ es. L’objectif de ce m´ emoire trouve alors son int´ erˆ et

dans le d´ eveloppement de lois de commande permettant de maintenir l’int´ egrit´ e de robots

mobiles ´ evoluant en milieu tout-terrain. Dans cet objectif de pr´ eservation de la stabilit´ e

dynamique du robot, trois grands axes de recherche seront particuli` erement privil´ egi´ es

4 Probl´ ematique li´ ee ` a la stabilit´ e de machines agricoles dans ce m´ emoire. Dans un premier temps, des algorithmes capables d’´ evaluer en temps r´ eel le degr´ e de stabilit´ e de l’engin seront ´ elabor´ es en se r´ ef´ erant ` a des capteurs compa- tibles avec le coˆ ut des machines. Puis, en exploitant des mod` eles adaptatifs (cr´ eation de mod` eles prenant en compte la g´ eom´ etrie du sol et les conditions de contact roue-sol, et synth` ese d’observateurs) il conviendra de synth´ etiser les algorithmes permettant l’estima- tion et l’anticipation de ces indicateurs de situations ` a risque. Outre cela, l’utilisation de ces approches adaptatives permettra de pr´ eserver la pertinence de l’estimation des m´ e- triques de renversement par rapport ` a la reconfigurabilit´ e du robot en ajustant en ligne les param` etres des mod` eles de comportement dynamique de l’engin. Finalement, ces in- dicateurs de risque de renversement et de d´ ecrochement pertinents devront autoriser la mise en place des algorithmes de commande r´ etroactifs dans la perspective de conception d’un dispositif actif pour la pr´ evention et l’´ evitement des situations d’instabilit´ e.

Il est bien ´ evidemment attendu que les travaux d´ evelopp´ es dans le cadre de cette th` ese pour le maintien de la stabilit´ e dynamique des robots mobiles autonomes trouvent des ap- plications concr` etes dans d’autres disciplines. En ce sens, la commande des robots mobiles repr´ esente un domaine de recherche majeur pour un certain nombre de secteurs, et notam- ment celui de l’agriculture. En effet, de par la capacit´ e des v´ ehicules robotis´ es ` a effectuer des tˆ aches p´ enibles pour l’homme, ` a acc´ eder ` a des zones difficiles et dangereuses, et grˆ ace

`

a une certaine r´ ep´ etabilit´ e qu’ils peuvent apporter dans le travail, ceux-ci repr´ esentent une r´ eponse coh´ erente aux enjeux actuels du secteur agricole (augmentation des surfaces

`

a exploiter, de la qualit´ e, des rendements, etc.). Par ailleurs, l’augmentation constante de la taille et de la vitesse de d´ eplacement des machines agricoles, conjugu´ ee au caract` ere variable des tˆ aches et des natures des terrains d’´ evolution, aggravent consid´ erablement les dommages pour l’op´ erateur [PW97, Cou99, CCM06]. Par cons´ equent, sans perdre le caract` ere g´ en´ erique des r´ esultats obtenus durant ce projet de th` ese (ex. application aux engins de Travaux Publiques, manutentions-levage, etc.), celui-ci s’appliquera en particu- lier au domaine agricole.

1.2 Probl´ ematique li´ ee ` a la stabilit´ e de machines agri- coles

De fa¸con universelle, le triptyque ”planter, cultiver et r´ ecolter” qui requiert ` a la fois

beaucoup d’´ energie (humaine, animale, m´ ecanique . . . ) et une grande diversit´ e d’outils et

de mat´ eriels caract´ erise l’agriculture. Toutefois, cette derni` ere se pratique de mani` ere plus

ou moins efficiente et efficace d’une contr´ ee du monde ` a l’autre selon le niveau de d´ evelop-

pement des peuples, en d’autres termes selon leur capacit´ e ` a ”m´ ecaniser” l’agriculture. En

effet, la figure 1.2 illustre le gap important qu’il y a entre l’agriculture pratiqu´ ee dans les

pays du tiers-monde et celle pratiqu´ ee dans les pays d´ evelopp´ es. A fortiori, l’agriculture se

caract´ erise comme ´ etant retardataire, peu productive dans les pays sous-d´ evelopp´ es car les

agriculteurs pratiquent encore aujourd’hui une agriculture dite ”traditionnelle” avec des

outils rudimentaires comme la force animale, des pelles, des machettes, etc. Ce constat

met en exergue le fait que le d´ eveloppement et l’autonomie alimentaire des pays du tiers- monde n´ ecessiteront la relance de l’agriculture par le machinisme agricole [FAO].

Au cours du dernier si` ecle, la m´ ecanisation du travail agricole dans les pays d´ evelopp´ es a non seulement contribu´ e ` a l’´ etendue des superficies cultivables et ` a l’accroissement du rendement des plantations en am´ eliorant essentiellement la pr´ ecision des techniques cultu- rales, mais a aussi lib´ er´ e de tr` es nombreux travailleurs de tˆ aches p´ enibles et monotones.

Il est de la nature de l’homme de vouloir toujours faire mieux, d’optimiser leur syst` eme de production afin d’en tirer le plus que possible. Dans le domaine agricole, cette pour- suite acharn´ ee ` a de meilleurs rendements s’est surtout mat´ erialis´ ee par l’augmentation de la taille, de la vitesse et de la puissance des machines. Cette modernisation de l’art de cultiver la terre s’accompagne toutefois de cons´ equences n´ efastes pour les agriculteurs car cela a consid´ erablement contribu´ e ` a l’aggravation des accidents du travail dans le secteur agricole. Dans le monde entier, les pays pratiquant une agriculture m´ ecanis´ ee s’accordent pour placer les tracteurs et autres engins utilis´ es dans les champs et dans les fermes en tˆ ete des causes des accidents mortels ou suivis d’incapacit´ es partielles ou totales [Ste00].

L’accidentologie de la conduite en milieu tout-terrain montre un risque ´ elev´ e, en par- ticulier dans le domaine agricole, avec un nombre significatif d’accidents entraˆınant de graves cons´ equences. En effet, selon une ´ etude men´ ee par la Caisse Centrale de la Mu- tualit´ e Sociale Agricole (CCMSA) durant seulement la p´ eriode allant de 2005 ` a 2008, 358 accidents du travail cons´ ecutifs ` a une perte de contrˆ ole suivis d’un renversement ont ´ et´ e recens´ es. Parmi ces accidents, 70% sont qualifi´ es de graves entraˆınant une incapacit´ e per- manente partielle de la victime. Qui pis est, il ressort des donn´ ees de cette mˆ eme ´ etude entre 20 et 30 accidents mortels en moyenne par an faisant ainsi du renversement de v´ e- hicule la principale cause de mortalit´ e au travail en milieu agricole. Pour la CCMSA, le coˆ ut total de ces accidents s’´ el` eve ` a environ trois millions d’euros sans compter la peine occasionn´ ee aux familles des victimes qui est inestimable. Ces donn´ ees mettent en ´ evi-

(a) Pays d´ evelopp´ es : Agriculture m´ ecanis´ ee (b) Tiers-monde : Agriculture traditionnelle

Figure 1.2 – Agriculture : Pays du tiers-monde Vs Pays d´ evelopp´ es

dence le fait que la probl´ ematique de stabilit´ e dynamique des v´ ehicules ´ evoluant en milieu

tout-terrain, et en particulier en milieu agricole est plus que jamais une th´ ematique de re-

cherche importante ` a explorer. La cons´ equence imm´ ediate de la recherche dans ce domaine

6 Contexte scientifique et industriel serait de sauver des vies humaines en d´ eveloppant des dispositifs permettant d’assurer la s´ ecurit´ e quotidienne des agriculteurs au travail.

Si des solutions technologiques visant ` a am´ eliorer la s´ ecurit´ e des conducteurs ont ´ et´ e d´ evelopp´ ees dans le domaine automobile, le monde de la mobilit´ e en milieu naturel a encore un grand retard ` a combler en ce sens. En effet, les principaux dispositifs de pro- tection qui ont ´ et´ e d´ evelopp´ es dans ce secteur jusqu’` a nos jours se r´ esument ` a l’installa- tion des structures rigides (Rollover Protective Structure - ROPS) consistant uniquement

`

a limiter les blessures en cas d’accidents. Fort de ceci, ces solutions sont g´ en´ eralement qualifi´ ees ` a juste titre de partielles car elles ne sont pas adapt´ ees et pas sˆ ures. Ces so- lutions sont purement m´ ecaniques et ne prennent pas en compte les sp´ ecificit´ es dues ` a l’instabilit´ e dynamique de la conduite en environnement naturel. Des ´ etudes accidentolo- giques [PW97, Cou99, CCM06, RR02, HMS

95] d´ emontrent que les causes majeures de ces accidents sont g´ en´ eralement doubles. En effet, ces accidents s’expliquent par les ca- ract´ eristiques mˆ eme des machines agricoles (masse, position du Centre de Gravit´ e (CdG) pouvant par ailleurs varier) mais ´ egalement par le caract` ere variable et incertain des interactions rencontr´ ees entre le v´ ehicule et son environnement (g´ eom´ etrie du terrain, conditions d’adh´ erence, . . . ). Ainsi, toute d´ emarche de recherche visant ` a d´ evelopper des dispositifs de s´ ecurit´ e pour la r´ eduction de ces risques doit prendre en compte ces facteurs afin que les solutions d´ evelopp´ ees soient fiables et viables.

De cette analyse d´ ecoule ´ egalement le fait que les nombreuses solutions de s´ ecurit´ e active propos´ ees par le monde de l’automobile permettant d’am´ eliorer le comportement dynamique des v´ ehicules routiers telles que l’Electronic Stability Program - ESP [TKF03]

ou encore l’Anti-lock Backing System - ABS [GBO04] mais sont tr` es peu transposables en dehors de ce cadre. En effet, le d´ eveloppement de ces syst` emes suppose que la posi- tion du CdG des v´ ehicules est basse et peu variable et que ceux-ci roulent sur des routes homog` enes et plates. Or, les v´ ehicules travaillant dans les champs agricoles ont leur CdG plac´ e tr` es haut et souvent variable, et en outre, comme sus-mentionn´ e les interactions rencontr´ ees entre le v´ ehicule et son environnement sont tr` es complexes.

Somme toute, l’id´ ee serait de sortir de cette protection passive et imparfaite de la m´ ecanique (ROPS) pour aller vers des syst` emes de protection plus sˆ urs et plus intelli- gents. Ainsi, cette th` ese se propose d’adresser cette probl´ ematique en ´ etudiant des indica- teurs pertinents, commun´ ement appel´ es ”m´ etriques”, capables de caract´ eriser finement les risques inh´ erents ` a la conduite en milieu tout-terrain dans la perspective de d´ eveloppement de dispositifs actifs de s´ ecurit´ e d´ edi´ es aux machines ´ evoluant en milieux naturels.

1.3 Contexte scientifique et industriel

Les travaux scientifiques d´ evelopp´ es dans cette th` ese s’inscrivent dans le cadre du pro-

jet intitul´ e ”Dispositifs actifs pour la s´ ecurit´ e des v´ ehicules en environnement

tout-terrain” financ´ e par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) sur le programme

en environnement ”V´ ehicules pour les Transports Terrestres (VTT)” . Le consor- tium autour de ce projet r´ eunit un ensemble partenaires venant de diff´ erents secteurs.

• Des soci´ et´ es industrielles telles que Gr´ egoire SAS, Poclain Hydraulics et Phim´ eca,

• Des organismes de recherche tels que l’Irstea (Institut de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture) et le CETIM (Centre Technique des Industries M´ ecaniques),

• Des laboratoires universitaires tels que Xlim (Unit´ e Mixte de Recherche de l’Uni- versit´ e de Limoges), LSIS (Laboratoire des Sciences de l’Information et Syst` emes) de Marseille et Institut Pascal de Clermont-Ferrand,

• Des partenaires associatifs et mutualistes tels que l’Axema (Union des Industriels de l’Agro-Equipement) et la CCMSA.

L’objectif global de ce projet, dont l’acronyme est ActiSurTT, est la conception de dispositifs actifs probatoires de s´ ecurit´ e d´ edi´ es aux v´ ehicules tout-terrain afin de pr´ evenir les risques de pertes de contrˆ ole (renversement, instabilit´ e de trajectoire d´ eclench´ ee par une perte soudaine d’adh´ erence,. . . ). Ces risques, courant dans le domaine de la conduite en milieux naturels, sont intimement li´ es au caract` ere variable et incertain des interac- tions rencontr´ ees entre le v´ ehicule et son environnement (g´ eom´ etrie du terrain, conditions d’adh´ erence,. . . ). De tels dispositifs doivent donc ˆ etre capables d’une part de s’adapter ` a cette diversit´ e d’interactions et d’autre part d’anticiper les risques de perte de contrˆ ole ` a l’origine d’une accidentologie cons´ equente pour permettre des actions correctives. L’objec- tif de la th` ese reste en ad´ equation avec celui du projet dans la mesure o` u les motivations et l’exemple applicatif sont apport´ es par ce dernier. Mais, la th` ese elle-mˆ eme se veut ˆ etre un travail de recherche plus g´ en´ erique sur la mobilit´ e en environnement naturel.

Le cadre applicatif retenu est le domaine de l’agriculture vu les caract´ eristiques de certaines machines agricoles et des terrains sur lesquels elles ´ evoluent. Ainsi, pour mener

`

a bien ce projet dans un cadre exp´ erimental, la soci´ et´ e Gr´ egoire SAS, l’un des partenaires

industriels sus-mentionn´ es, a mis ` a notre disposition une plateforme exp´ erimentale de

type vendangeuse dont les principales caract´ eristiques sont d´ ecrites en annexe A.2. Cette

derni` ere nous permettra de qualifier en vraie grandeur la faisabilit´ e et l’apport de tels

syst` emes en les int´ egrant sur un v´ ehicule r´ eel. Ce moyen exp´ erimental, mis ` a la disposition

du projet, montre l’int´ erˆ et et la motivation de s’int´ egrer ainsi ` a un effort de recherche

multipartenaires et notamment avec des industriels. Ce v´ ehicule exp´ erimental constitue

un cas d’´ etude pr´ ecis. Toutefois, comme d´ efini plus haut, les algorithmes d´ evelopp´ es dans

le cadre de cette th` ese se veulent ˆ etre suffisamment g´ en´ eriques pour s’appliquer ` a une

large classe de v´ ehicules tout-terrain.

8 Structuration du m´ emoire

1.4 Structuration du m´ emoire

La poursuite de l’objectif ambitieux de cette th` ese passe, entre autre, par l’accomplis- sement d’objectifs interm´ ediaires. De surcroˆıt, ces derniers constituent en eux-mˆ emes des contributions scientifiques majeures qui seront apport´ ees dans le cadre de cette th` ese et, pr´ efigurent en partie l’organisation du m´ emoire. Ainsi, l’ensemble des travaux d´ evelopp´ es tout au long de cette th` ese peut ˆ etre subdivis´ e en quatre grandes parties :

• Tout d’abord, la suite de cette partie introductive a pour objectif de pointer les principaux enjeux li´ es ` a la mobilit´ e accrue des engins ´ evoluant en milieu naturel. La mise en lumi` ere des principales voies d’am´ elioration pour la s´ ecurit´ e de ces types de v´ ehicules d´ ebouchera sur l’identification et la discussion des principaux sc´ enarii types de perte de contrˆ ole des engins agricoles. Par ailleurs, nombre de solutions ac- tives permettant d’am´ eliorer efficacement la s´ ecurit´ e des v´ ehicules routiers existent dans le monde de l’automobile. Apr` es une br` eve pr´ esentation de ces dispositifs de s´ ecurit´ e actifs, leurs limitations pour l’application aux v´ ehicules en milieu naturel seront mises en ´ evidence. En fin de compte, l’analyse de l’inapplicabilit´ e des solu- tions actives de s´ ecurit´ e routi` ere aux v´ ehicules tout-terrain et de l’insuffisance des solutions passives d´ edi´ ees ` a la s´ ecurit´ e des engins tout-terrain permettra de poser le justificatif de ce sujet de th` ese. Suite ` a cette analyse, une ´ etude des m´ ecanismes de renversement en milieu naturel ayant pour objectif l’identification des principaux facteurs endog` enes et exog` enes de capotage du v´ ehicule sera faite. Cette identi- fication permettra d’aboutir ` a la d´ efinition des diff´ erents th´ ematiques et axes de recherche qui guideront la suite des travaux men´ es dans ce document.

• La conception d’un dispositif capable d’estimer, d’anticiper, de pr´ evenir et de corri- ger les situations ` a risque suppose la connaissance de la dynamique du v´ ehicule et de ses diff´ erentes interactions avec l’environnement dans lequel il ´ evolue. A partir de la connaissance de la dynamique du v´ ehicule dans son environnement, il deviendra alors possible par l’interm´ ediaire de diff´ erentes m´ etriques de consid´ erer sa stabilit´ e globale. En ce sens, l’objectif de cette deuxi` eme partie du pr´ esent document est double. D’une part, il s’agit de synth´ etiser de mod` eles analytiques g´ en´ eriques et repr´ esentatifs du comportement r´ eel du v´ ehicule permettant de mettre en relation les m´ etriques repr´ esentatives des risques d’instabilit´ e de l’engin avec les diff´ erents sc´ enarii types de renversement identifi´ es pr´ ec´ edemment. De par leur structure ba- s´ ee sur une approche de mod´ elisation dite multi-´ echelle, ces mod` eles dynamiques permettront non seulement d’estimer le risque de renversement mais ´ egalement de l’anticiper. En fin de compte, suite ` a une ´ etude comparative des avantages et incon- v´ enients des diff´ erentes familles de crit` eres de renversement r´ epertori´ es, ce second chapitre s’est sold´ e sur le choix de trois m´ etriques de stabilit´ e dynamique pour la suite de l’´ etude.

Coupl´ es ` a un syst` eme de perception relativement peu coˆ uteux, dans la troisi` eme par-

tie de ce m´ emoire, ces mod` eles ` a dynamique partielle devront permettre la concep-

tion d’observateurs d’´ etats pour l’estimation en temps r´ eel des param` etres n´ eces- saires au calcul des trois m´ etriques retenues.

• L’´ evaluation en temps r´ eel des trois m´ etriques retenues pour la caract´ erisation de la stabilit´ e dynamique du v´ ehicule n´ ecessite la connaissance d’un certain nombre de param` etres dynamiques et g´ eom´ etriques. Le recours ` a des syst` emes sensoriels com- plexes et on´ ereux pour l’acquisition de ces param` etres peut vite devenir r´ edhibitoire pour la survie commerciale du dispositif actif de s´ ecurit´ e con¸cu.

Fort de ceci, il est fait choix dans cette troisi` eme partie du document de s’appuyer de pr´ ef´ erence sur la notion d’observation pour l’´ evaluation en ligne de cesdits para- m` etres. Bas´ ee sur la reconstruction en temps r´ eel de variables non mesur´ ees (voire non directement mesurables), cette m´ ethode exploite d’une part la connaissance de la dynamique du v´ ehicule explicit´ ee pr´ ec´ edemment via la mod´ elisation analytique de l’engin, et d’autre part la mesure de quelques donn´ ees dont d´ ependent les capaci- t´ es de reconstruction. Ainsi, l’ensemble des param` etres dynamiques et g´ eom´ etriques caract´ erisant les diff´ erentes m´ etriques de renversement est reconstruit ` a partir d’un syst` eme d’acquisition peu coˆ uteux.

Utilis´ ees ` a des fins de s´ ecurit´ e active, le couplage de telles approches de mod´ elisation et d’observation constitue donc un positionnement original ` a mˆ eme de briser la com- plexit´ e de la caract´ erisation de la stabilit´ e des dynamiques complexes et incertaines comme illustr´ e ` a la quatri` eme et derni` ere partie de ce m´ emoire.

• Cette derni` ere partie de la th` ese traitant ` a proprement dit la caract´ erisation de la stabilit´ e dynamique du v´ ehicule est subdivis´ ee en trois sous-parties. D’une part, via une analyse comparative approfondie, la pertinence de la capacit´ e des m´ etriques ` a

´ evaluer en temps r´ eel le risque d’instabilit´ e de l’engin a ´ et´ e mise en ´ evidence pour chaque sc´ enario de renversement identifi´ e dans la premi` ere partie de ce document.

Par ailleurs, il s’est r´ ev´ el´ e n´ ecessaire de pr´ eserver la pertinence de ces m´ etriques d’instabilit´ e par rapport ` a la reconfigurabilit´ e de la machine. A cet effet, dans la se- conde sous-partie de ce chapitre, des approches adaptatives consistant ` a ajuster en ligne les param` etres des mod` eles de comportement dynamique de l’engin en fonction de la disponibilit´ e d’une mesure partielle du risque encouru ont permis de garder un comportement en ad´ equation avec la reconfiguration de la machine, et ceci quelque soit l’´ etat du syst` eme de suspension, de la nature du sol et de la charge du v´ ehicule.

Par ricochet, la repr´ esentativit´ e de l’approche multi-mod` ele utilis´ ee dans cette th` ese a pu ˆ etre v´ erifi´ ee.

Dans le domaine de la mobilit´ e en environnement tout-terrain, en particulier en

milieu agricole, les particularit´ es des machines ´ equip´ ees (ex : vendangeuses, pulv´ e-

risateurs, . . . ) sont des charges lourdes et variables, un centre de gravit´ e ´ elev´ e, des

pentes franchissables importantes, des adh´ erences souvent r´ eduites et tr` es variables

10 Enjeux pour la s´ ecurit´ e de la mobilit´ e en milieu agricole et des vitesses sur routes de plus en plus ´ elev´ ees. Toutes ces conditions rendent ces machines particuli` erement sensibles aux probl` emes de renversement mais rendent aussi le contrˆ ole de la motricit´ e assez d´ elicat ` a g´ erer et peuvent donc amener, dans les cas extrˆ emes, ` a des pertes totales d’adh´ erence. Celles-ci se traduisent par des situations de d´ evalement qui surviennent r´ eguli` erement. Ainsi, un crit` ere a ´ et´ e d´ eve- lopp´ e dans la troisi` eme et derni` ere sous-partie de ce chapitre pour la caract´ erisation du risque de d´ evalement du v´ ehicule.

L’ensemble des d´ eveloppements th´ eoriques pr´ esent´ es au sein des diff´ erentes parties du document est valid´ e par le biais de r´ esultats provenant aussi bien d’un simulateur r´ ealiste SCANeR Studio que d’essais exp´ erimentaux r´ ealis´ es sur une machine ` a vendanger de type G7.240, construite par la soci´ et´ e Gr´ egoire SAS.

Somme toute, pour boucler la boucle, il a ´ et´ e jug´ e bon de terminer cette ´ etude par un ensemble d’´ el´ ements prospectifs sur la suite qui doit ˆ etre donn´ ee aux diff´ erents tra- vaux d´ evelopp´ es dans ce document, autrement dit sur la conception du dispositif actif de s´ ecurit´ e. Ces perspectives concernent surtout les strat´ egies de commande constitu´ ees d’algorithmes de commande adaptative et pr´ edictive qui doivent ˆ etre activ´ ees lorsque l’indicateur d’instabilit´ e approche de la zone critique et qui permettront de corriger la situation dynamique du v´ ehicule et ainsi ´ eviter l’accident.

1.5 Enjeux pour la s´ ecurit´ e de la mobilit´ e en milieu agricole

1.5.1 Accidentalit´ e du machinisme agricole

Statistiquement, le renversement de machines agricoles se r´ ev` ele ˆ etre un risque impor- tant. En effet, plusieurs ´ etudes sur l’accidentalit´ e dans le milieu agricole ont ´ et´ e r´ ealis´ ees, et les r´ esultats de ces ´ etudes sont aussi alarmants les uns que les autres en termes de nombre de tu´ es sur les champs et les fermes et mˆ eme sur route. Les chiffres, relat´ es ci- dessus par les ´ etudes accidentologiques [CCM06] r´ ealis´ ee par la CCMSA, t´ emoignent de l’importance de cette accidentologie professionnelle dans le milieu agricole. Toutefois, elle n’en demeure pas moins partielle car elle ignore les nombreux accidents domestiques de particuliers ou de retrait´ es agricoles poss´ edant ce type de mat´ eriel pour une utilisation hors du cadre professionnel ainsi qu’un certain nombre d’accidents touchant les exploi- tants agricoles non salari´ es.

Quasiment, toutes les r´ egions de France sont touch´ ees par ces accidents mortels comme en t´ emoigne la Figure 1.3. Malheureusement, on peut constater que la r´ egion auvergnate occupe la premi` ere place en terme de morts observ´ ees suite aux renversements de tracteurs.

Entre autre, comme illustr´ e sur la Figure 1.4(a) tous les types de tracteurs sont concer-

n´ es par ces accidents au travail et ceci dans tous les secteurs de l’agriculture comme en

Figure 1.3 – Les r´ egions de France les plus touch´ ees par l’accidentalit´ e agricole, source CCMSA

t´ emoigne la Figure 1.4(b).

(a) Types de tracteurs concern´ es par les acci- dents

(b) Les secteurs les plus touch´ es par les accidents

Figure 1.4 – Types de tracteurs et secteurs concern´ es par les accidents, source CCMSA La majorit´ e des accidents surviennent dans les champs et les fermes mais ´ egalement sur route. En effet, suivant les mˆ emes donn´ ees des ´ etudes men´ ees par la CCMSA, 73%

des accidents recens´ es sont survenus dans les champs contre 27% en circulation routi` ere.

Il a ´ et´ e constat´ e que bon nombre des agriculteurs ne r´ ealisent pas le risque encouru dans leur travail. En effet, 35% des personnes interrog´ ees consid` erent le risque de renver- sement comme n´ egligeable. Ce qui n’est malheureusement pas le cas si on regarde de pr` es le taux de mortalit´ e survenu suite ` a un accident.

Ces donn´ ees accidentologiques mettent en ´ evidence l’int´ erˆ et de cette th` ese dont les

principales motivations sont de proposer les bases de syst` emes actifs d’aide ` a la conduite

d´ edi´ es aux v´ ehicules ´ evoluant en environnement naturel.

12 Enjeux pour la s´ ecurit´ e de la mobilit´ e en milieu agricole

1.5.2 Voie d’am´ eliorations et retomb´ ees ´ economiques

Les ´ etudes accidentologiques montrent que les causes des accidents sont diverses et va- ri´ ees. Face ` a une aussi grande variabilit´ e des causes, il n’existe pas de r´ eponse unique, mais une multitude de voies d’am´ elioration que l’on classe dans de grands sous-ensembles [Blo05] :

• L’´ education, qui repose sur le respect et l’assimilation des consignes de s´ ecurit´ e et les recommandations du manuel d’utilisation de l’engin et la sensibilisation ` a une conduite s´ ecuritaire ` a l’instar de la campagne de sensibilisation et d’information lan- c´ ee aupr` es des agriculteurs par la CCMSA et le Minist` ere de l’Agriculture en 2010,

• La formation, qui vise ` a am´ eliorer les performances de conduite des conducteurs et ` a les rendre attentifs aux risques qu’ils peuvent encourir et aux pr´ ecautions ` a prendre,

• L’am´ elioration des v´ ehicules grˆ ace ` a l’introduction des dispositifs de s´ ecurit´ e passive ou active.

Parmi les diff´ erentes voies d’am´ elioration sus-expos´ ees, pour ne pas faire des accidents survenus dans le monde agricole une fatalit´ e, la voie d’am´ elioration la plus fiable et la plus viable ` a suivre reste et demeure le d´ eveloppement de dispositifs de s´ ecurit´ e active, c’est-

`

a-dire des syst` emes qui ont pour but d’´ eviter que les accidents ne se produisent, pourvu que ces dispositifs soient ` a un coˆ ut raisonnable pour l’acqu´ ereur. Outre la r´ eduction de l’accidentologie agricole, les retomb´ ees ´ economiques de ces dispositifs seront tout aussi importantes. En effet, selon [Owu08], l’int´ egration de ces dispositifs de s´ ecurit´ e seulement sur les machines viticoles et une partie des automoteurs de pulv´ erisation et de r´ ecolte repr´ esenterait un chiffre d’affaires de 150 millions d’euros, uniquement en France. La g´ e- n´ eralisation au march´ e europ´ een de cette cat´ egorie de machines multiplierait par deux le volume des ventes.

Certes, ces syst` emes de s´ ecurit´ e concernent prioritairement les gros automoteurs agri- coles les plus expos´ es aux risques de renversement et pour lesquels les solutions passives sont mal adapt´ ees. Toutefois, comme on a vu ` a la section 1.5.1, ces accidents touchent tous les types de v´ ehicules agricoles. Alors, ces syst` emes de s´ ecurit´ e active pourront ˆ etre int´ egr´ es dans les cabines de diff´ erents types d’engins agricoles ` a l’instar d’autres dispositifs d’aide ` a la conduite d´ ej` a largement d´ eploy´ es dans le monde de l’automobile. Ainsi, l’ex- tension ` a d’autres types d’engins agricoles d´ ecuplerait ces chiffres. A titre d’exemple, en ciblant uniquement les 15000 tracteurs haut de gamme rapides commercialis´ es en France dont 30% sont construits sur le territoire national, le chiffre d’affaires repr´ esente 450 mil- lions d’euros et en consid´ erant les 80000 tracteurs vendus en Europe (dont 20% produits en France) le chiffre d’affaires atteint 1600 Millions d’euros [Owu08].

En r´ eponse ` a une demande soci´ etale forte, ces chiffres confortent encore une fois l’id´ ee

que la r´ esolution des probl` emes d’accidents du travail auxquels font face quotidiennement

les agriculteurs doit passer n´ ecessairement par le d´ eveloppement de syst` emes de s´ ecu- rit´ e active. Fondamentalement, le rˆ ole de ces dispositifs est de pallier les d´ efaillances du conducteur dans les diff´ erentes phases du processus de conduite. Le groupement de ces diff´ erentes ´ etapes de causes ` a effet conduisant ` a une situation potentiellement g´ en´ eratrice d’accident constitue ce qu’on appelle des sc´ enarii types de renversement. Ainsi la section suivante sera consacr´ ee au recensement des principaux sc´ enarii de renversement.

1.6 Sc´ enarii types de renversement en milieu tout- terrain

Dans tous les pays o` u est pratiqu´ ee une agriculture m´ ecanis´ ee, la R&D sur les assis- tances ` a la conduite est tr` es active. Que ce soit en Europe, aux ´ Etats-Unis ou au Japon, les d´ emarches m´ ethodologiques sont assez semblables. En effet, ` a partir de l’accidentologie, les situations ` a risque les plus prioritaires sont identifi´ ees et retenues puis les assistances

`

a la conduite sont g´ en´ eralement con¸cues pour pallier les d´ efaillances du conducteur dans ces sc´ enarii [Ehr09].

Dans ce mˆ eme ordre d’id´ ees, dans le cadre de cette th` ese l’analyse des donn´ ees ´ epi- d´ emiologiques relatives ` a l’accidentalit´ e de la conduite en environnement naturel relat´ ees

`

a la section 1.5 a permis dans un premier temps d’extraire les tendances g´ en´ erales et facteurs de danger par l’interm´ ediaire d’arbres de causes ` a effet. Toutefois, afin de va- lider et d’affiner ces conclusions, il s’est r´ ev´ el´ e n´ ecessaire de poursuivre cette ´ etude par une enquˆ ete de terrain aupr` es des agriculteurs et l’analyse de leurs activit´ es en situation.

La combinaison de ces niveaux d’analyse a permis de classer les risques d’instabilit´ e en fonction des crit` eres environnementaux (terrain de nature changeante et incertaine, condi- tions d’adh´ erence, . . . ), des caract´ eristiques g´ eom´ etriques et dynamiques de la machine (position du CdG, r´ epartition de la masse, vitesse, braquage, . . . ) et du comportement des utilisateurs. En effet, les causes menant ` a ces situations de dangerosit´ e sont dans la plupart des cas li´ ees ` a des manoeuvres sur des terrains peu adh´ erents (tr` es humides ou tr` es secs), en pr´ esence de pentes importantes et/ou de vitesses ´ elev´ ees. Ces risque sont notamment renforc´ es par le rehaussement du CdG de l’engin li´ e ` a une modification de la configuration du v´ ehicule.

Entre autre, cette enquˆ ete a permis d’obtenir des informations importantes sur le ni- veau de perception du risque de renversement par les agriculteurs ainsi que l’acceptabilit´ e d’un ´ eventuel dispositif de s´ ecurit´ e pour g´ erer ce risque. En effet, une majorit´ e de ces utili- sateurs ont mis en avant la pertinence d’un syst` eme anti-renversement et anti-d´ ecrochage dans la mesure o` u ils s’av` erent fiables et qu’ils puissent ˆ etre activ´ es uniquement lorsque le conducteur le souhaite et ˆ etre d´ esactiv´ es ` a tout moment.

Finalement, en fonction des t´ emoignages des agriculteurs conjugu´ es aux diff´ erents fac- teurs li´ es aux caract´ eristiques des machines et des champs agricoles, un rapport [MT11]

r´ ealis´ e dans le cadre d’´ etude du projet ActiSurT T synth´ etise les trois grandes situations