1 surveillance et commande tolérante aux fautes. application à un véhicule tout électrique...
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Surveillance et commande Tolérante aux Fautes. Application à un véhicule tout
électrique Présentée par Abdelwahab Aïtouche
Laboratoire d'Automatique , Génie Informatique et Signal
Université des Sciences et Technologies de Lille Hautes Etudes d’Ingénieur
Equipe de Recherche SFSD
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Introduction
•Automobile est un domaine d'application privilégié
•Nécessité de rendre les véhicules plus sûrs, moins polluants,
moins gourmands en énergie
•Systèmes d'assistance : ABS, EPS, limiteur et régulateur de vitesse
Parking automatique, ….
•Sur le plan scientifique: développer des algorithmes de commande permettant d'assurer la conduite automatique en toute sécurité et avec des performances dynamiques satisfaisantes.
•Sur le plan technologique: développer de nouveaux capteurs permettant de mesurer l'environnement du véhicule quelque soient les circonstances (pluie, brouillard, etc.).
Enjeux
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Introduction
•Traiter des données complexes à cause de
la multiplication de capteurs
•Rendre le véhicule sûr de fonctionnement en présence
de défaillances de capteurs et/ou d’actionneurs
Challenge
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Introduction
Quelques exemples d’application en Nord Pas de Calais
Véhicules autonomes
•Le LAMIH a développé instrumenté un véhicule hybride afin de réaliser le suivi automatique d'un véhicule.
•La plateforme "TRAVEL" Un train de véhicule automatisé •"ROBUCAR" a été réalisé au LAGIS
Capteurs intelligents
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Contexte et problématique
procédéActionneurs capteurscontrôleurconsigne
défaut défaut défaut défaut
Tolérance aux fautes :
Comment le système réagit suite à l’apparition d’une ou de plusieurs défaillances :
• de capteur(s) ?
• d’actionneur(s) ?
• du procédé ?
• du contrôleur ?
Peut-on continuer à atteindre les objectifs fixés au départ ? Phase d’analyse du système
Phase de mise en place d’une commande tolérante aux fautes
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ROBUCAR
On suit une trajectoire à la vitesse désirée
Actionneurs• moteur électrique sur les roues motrices
• angle de braquage de l’essieu arrière
• angle de braquage de l’essieu avant
• capteur de vitesse pour la roue AvG• capteur de vitesse pour la roue AvD• capteur de vitesse pour la roue ArG• capteur de vitesse pour la roue ArD• capteur des angles de braquage Av et Ar• centrale inertielle• GPS (position du véhicule en x et en y)
Capteurs
ROBUCAR
A
B
L’application s’intéresse à l’aptitude qu’à un véhicule (RoBuCar) à suivre des objectifs même après la perte d’un ou de plusieurs actionneurs.
Contexte et problématique
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Contexte et problématique
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Contexte et problématique
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Problématique : En cas de défaillance majeure de certains actionneurs, que se passe-t-il ? Et comment le système peut-il réagir ?
Peut-on continuer à suivre les consignes en trajectoire et en vitesse ?
Actionneurs
• moteur électrique sur les roues motrices
•Angle de braquage de l’essieu arrière
• Angle de braquage de l’essieu avant
ROBUCAR
• capteur de vitesse pour la roue AvG• capteur de vitesse pour la roue AvD• capteur de vitesse pour la roue ArG• capteur de vitesse pour la roue ArD• capteur des angles de braquage Av et Ar• centrale inertielle• GPS (position du véhicule en x et en y)
Capteurs
Contexte et problématique
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Contexte et problématique
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Système non linéaire
FDI
Commande
Pas de composant défaillant détecté
Capteurs défaillants détectés et localisés
FTE
Composants en défaut détectés
Actionneurs défaillants détectés et localisés
Actionneurs défaillants
Actionneurs Sains
Capteurs défaillants
Capteurs Sains
FTCconsigne
Contexte et problématique
Principe de la commande tolérante active aux fautes du point de vue capteurs et actionneurs :
défaut 3
Commande défaut 3
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Sommaire
Introduction
Contexte et problématique
2. Modélisation du véhicule
1. Description du véhicule autonome
Conclusion et perspectives
3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé
4. Mise en place d’un module de surveillance
5. Stratégie et mécanisme de reconfiguration
6. Simulations et résultats
14Description de Robucar
Robucar est un prototype de véhicule électrique servant de plate-forme expérimental pour des études d’automatique menées au laboratoire LAGIS de Lille.
• 4 moteurs de traction
• 4 moteurs de freinage
• 2 moteurs pour les directions avant et arrière du véhicule
1 Batteries de 12 volts 60Ah2 Le châssis3 Roue avant droite4 Panneau de contrôle avant5 Vérin électrique de direction avant6 Roue avant gauche7 Batteries8 Roue arrière gauche9 Vérin électrique de direction arrière10 Panneau de contrôle arrière
Le véhicule possèdent 10 moteurs à courant continu:
151. Description de Robucar
Les caractéristiques générales du véhicule sont les suivantes :
Longueur hors tout : 1,90m
Largeur hors tout : 1,20 m
Poids total avec batteries : 300 kg
motorisation : 4 moteurs électriques de 1 kW
4 roues motrices et directrices
Vitesse théorique maximale : 30 km/h
Autonomie : 3 heures d'utilisation continue
Capacité d'accueil : 2 personnes avec bagages
Conduite automatique ou manuelle
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Ce véhicule présente quelques imperfections mécaniques telles que du frottement dans le système de transmission.
Le module de traction est présenté plus précisément sur la figure suivante:
1 : interface moteur 2 : Biellette de direction 3 : moteur de 1200 Watts
4 : roue 6 : Amortisseur 7 : Encodeur incrémental
1. Description de Robucar
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Encodeur incrémental de mesure
de la vitesse des roues
1. Description de Robucar
Encodeur absolu de mesure de la longeur de la tige du vérin
181. Description de Robucar
Synoptique de l’architecture matérielle de Contrôle/Commande
191. Description de Robucar
Schéma fonctionnel d’un nœud
201. Description de Robucar
Schéma de l’architecture de RobuCar
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ROBUCAR
• La vitesse du véhicule ne dépasse pas 20 km/h (c’est une contrainte de RoBuCar)
• Environnement non perturbant (absence d’obstacle)
• On étudie le véhicule sur trois degrés de liberté : dynamique longitudinale, latérale et lacet
• Angle de braquage faible (- de 10°)
Hypothèses de modélisation :
2. Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule
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ba
x
y
Description des entrées, sorties et états du système :
Trf4321 UUUUUUu
Les entrées de commande
(Ui couples de traction appliqués sur chacune des roues
Uf et Ur: couple de braquage des roues avants et arrières)
Les vitesses de rotation des roues i, les vitesses et positions longitudinales et latérales du véhicule, les angles de braquage des roues avant et arrières et leurs dérivées et la vitesse de lacet du véhicule
T
4321 θθθθx
rrffyyxx
Les états du système :
T
4321 θθθθy
rfyx
Les sorties
: vitesse de rotation de la roue i
1θ
f r : angle de braquage des roues Av et Ar,
yx, : coord de la position du véhicule
: vitesse de lacet
2 Modélisation non linéaire de la dynamique du véhicule
30 3 Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé
Loi de commande du véhicule en mode nominal
Linéarisation par bouclage linéarisant et commande par retour d’état :
++
++
)(xf
B C
Observateur)ˆ(xf)ˆ(x
uv y
RobuCarSystème linéarisé par bouclage linéarisant
x̂ uy
H-
+
K
réf
d1
d2
d3
d4
fd
rd
Avec cette commande, nous suivons des consignes de vitesses de rotation des roues et de dérivées d’angle de braquage
313. Lois de commande du véhicule en
modes nominal et dégradé
En réalité, nous souhaitons suivre une trajectoire à une vitesse désirée.
En amont, du système précédent, nous rajoutons un module pour suivre les consignes en trajectoire et vitesse.
Loi de commande du véhicule en mode nominal
Planification de trajectoire muni d’un contrôleur
Système linéarisé par bouclage linéarisant
et commandé par retour d’état
Estimateur de la position de RobuCar
uyestx
esty
trajdes
desvréf
323. Lois de commande du véhicule en
modes nominal et dégradéPlanification de trajectoire muni d’un contrôleur
Système linéarisé par bouclage linéarisant
et commandé par retour d’état
Estimateur de la position de RobuCar
uyestx
esty
trajdes
desvréf
Module de planification de trajectoire muni d’un contrôleur :
desv 1/R
des1
des2
des3
des4
estx
estx
desy
desy-
+
esty
yPID
desf
trajdes
33 3 Loi de commande du véhicule en modes nominal et dégradé
Loi de commande du véhicule en mode nominal
34 3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé
Loi de commande du véhicule en mode nominal
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L’angle de lacet
3. Loi de commande du véhicule en modes nominal et dégradé
363. Lois de commande du véhicule en
modes nominal et dégradé
Lois de commande du véhicule en mode dégradé
De même pour chaque défaillance d’actionneur, une loi de commande est calculée hors ligne de manière à suivre la trajectoire.
Cxy
uBxfx ff)(
000000
000000
100000
000000
000000
000000
000000
000000
000000
001
000
0001
00
00001
0
000001
4
3
2
1
r
s
s
s
s
f
J
J
J
J
J
B
exemple: pour une perte de l’actionneur de direction avant, le nouveau système à commander est de la forme:
où
373. Lois de commande du véhicule en
modes nominal et dégradéExemple de la détermination d’une commande sans l’actionneur de direction avant:
Planification de trajectoire tolérante
aux fautes
Système linéarisé par bouclage linéarisant et commandé par
retour d’état
Estimateur de la position de RobuCar
uyestx
esty
trajdes
desv
*
*
*
*
*
*
4
3
2
1
r
f
s
s
s
s
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Contrôleur :
• Soit un PID
• Soit un contrôleur à mode glissant où la surface de glissement est : vv as
3. Lois de commande du véhicule en modes nominal et dégradé
desv 1/R
des1
des2des3
des4
estx
estx
desy
desy-
+
esty
y 0 desf
trajdes
Contrôleur
+
+
+
-
k1
k2
k3
k3
40 Mise en place d’un module de surveillance(détection et localisation des défauts)
Méthodes basées sur une modélisation du système : diagnostic quantitatif
modèle
procédé
Génération de résidus
Evaluation des résidus
Analyse des défauts
résidusLocalisation des défautsdéfauts
Prise de décision
par les relations de redondances analytiques
théorie de l’élimination pour générer les résidus En présence de défaillance(s),
les caractéristiques des résidus changent
• soit par des méthodes statistiques
• soit par un seuillage fixe ou adaptatif
L’évaluation des résidus se fait :
matrice d’incidence
44 4. Mise en place d’un module de surveillance
(détection et localisation des défauts)
Grâce à la redondance existante dans les informations suivantes:• Connaissance du modèle du véhicule• Connaissance de la valeur des entrées du système• Connaissance de la valeur des sorties du système
Nous pouvons calculer des résidus. Ici, 6 résidus sont calculés en ligne:
rrryyxxrrrr
fffyyxxffff
ryrx
ryrx
fyx
fyx
kDFFDFFufJR
kDFFDFFufJR
RFRFufJR
RFRFufJR
RFRFufJR
RFRFufJR
4343
2121
44
33
22
11
66
55
444444
333333
222222
111111
45 4 Mise en place d’un module de surveillance (détection et localisation des défauts)
• si |R5| > seuil_5, l’actionneur 5 est en défaut
R1 R2
R3 R4
R5 R6
475. Stratégie et mécanisme de reconfiguration
)(
).()(
xhy
uxgxfxSoit le système sans défaut suivant
Pour ce système, une commande est calculée : CN
Lorsqu’un défaut d’actionneur apparaît (défaillance 1), le système s’écrit :
)(
).()(
xhy
uxgxfx ff
Pour ce cas de défaillance, une commande est calculée : Cf1
La commande est calculée afin que le système en défaut ait dans la mesure du possible, des performances similaires en boucle fermée au système sans défaut.
De la même manière, pour chaque cas de défaillance, une commande est calculée :
Cf2, Cf3, …, Cfi
où )()()( xgxgxg FSf en cas de reconfiguration : 0)( xgF
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6. Simulations et résultats
Simulation du système suite à l’occurrence d’un défaut
sur l’actionneur de traction de la roue avant gauche
sur l’actionneur de direction des roues avant
• sans considérer de valeurs limites pour les entrées de commande
• en considérant des valeurs limites pour les entrées de commande
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Trajectoires mesurées et trajectoire désirée
Défaut sur l’actionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s
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Les entrées de commande (avec la commande à mode glissant)
u1 u2
u3 u4
u5u6
Défaut sur l’actionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s
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L’angle de lacet
Défaut sur l’actionneur de direction avant (sans saturation) à t = 21s
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Trajectoires mesurées et trajectoire désirée
Défaut sur l’actionneur de direction avant (avec saturation) à t = 21s
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L’angle de lacet
Défaut sur l’actionneur de direction avant (avec saturation) à t = 21s
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6. Simulations et résultats
Conclusion sur les simulations :
• Bon suivi des consignes en trajectoire et en vitesse
sans présence de défaut
mais aussi en cas de défaillance sur un moteur de traction
• Suivi plus difficile en cas de défaillance sur le moteur de direction
et surtout lorsque la valeur des entrées de commande est limitée