This thesis describes an investigation into vehicle handling control using active differentials in the rear axle of a motor vehicle. Such devices are able to transfer torque between the rear wheels and have traditionally been used to improve traction whilst minimising the impact on vehicle handling. However, the capacity to generate a lateral torque difference across an axle also gives them the potential to be used for yaw moment control. In order to generate a rigorous assessment of this potential, the investigation is carried out in three distinct phases. Firstly, an analysis of the scope for modifying vehicle handling given unrestricted control over torque transfer between the rear wheels is carded out in the simulation environment. For this purpose an idealised yaw sideslip controller is developed. This is used to show that an ideal active differential can have significant yaw moment authority in terms of generating both understeer and oversteer and that this can be used to actively modify a vehicle's handling balance and apply stability control at the limits of adhesion. In the second phase, the capabilities of two types of contemporary active differential, the torque vectoring differential (TVD) and active limited slip differential (ALSID), are then assessed against the ideal differential and against a brake based yaw moment controller. TVDs are found to be able to offer very similar performance to both their ideal counterpart and to the brake based system. They Gan also deliver this performance with a fraction of the energy loss that is observed in the brakes, thus making TVDs a viable proposition for applying continuous yaw control below the limits of adhesion. ALSDs, on the other hand do not offer equivalent functionality to an ideal active differential but are still shown to be very effective stability control devices. In the third phase, the ALSID results are validated on a prototype vehicle where it is shown that they do indeed offer substantial stability improvements both on high and low-P surfaces. However in order to deliver such benefits and be practical for implementation, it is also shown that significant redevelopment of the idealised controller is required. Finally, with the ALSID operating alongside a commercial brake based stability control system, it is proven that substantial reductions in brake intervention can be achieved without significant controller integration.

Le contrôle global du châssis a fait récemment l'objet d'une attention particulière. Cela serait motivé surtout par l’approche des véhicules entièrement autonomes. Ces véhicules, en particulier le niveau 5 d’automatisation SAE (J3016), devraient remplacer le conducteur humain dans presque toutes les situations. Le véhicule automatisé devrait être capable de gérer en harmonie des situations couplées où sont intégrés le contrôle longitudinal, latéral et éventuellement vertical. Pour ce faire, le véhicule dispose de plusieurs systèmes intégrés par axe de contrôle. En effet, les équipementiers automobiles et les nouveaux acteurs de l'industrie automobile proposent continuellement de nouvelles solutions pour satisfaire des performances bien spécifiques. Le constructeur automobile doit quant à lui coordonner différents sous-systèmes provenant de différentes parties prenantes afin de garantir une expérience de conduite fiable et confortable. Jusqu'à présent, les constructeurs automobiles privilégiaient des solutions simples consistant à ajouter une couche de coordination en aval des sous-systèmes concurrents afin de limiter les potentiels conflits. La plupart des stratégies adoptées consistent à prioriser un système par rapport à un autre en fonction de certains scénarios conflictuels prévisibles. Les véhicules autonomes ont besoin de sous-systèmes supplémentaires pour fonctionner en toute sécurité. Ainsi, les interactions entre les sous-systèmes s'amplifieront au point de devenir imprévisibles. Cette thèse met l'accent sur l'approche de coordination qui devrait être adoptée par les véhicules du futur. En particulier, la couche de coordination est déplacée en amont des sous-systèmes autonomes pour assurer une distribution de commande optimale. Cette couche agit comme un superviseur basé sur des algorithmes d'allocation optimale du contrôle. La synthèse des correcteurs repose sur les théories du contrôle robuste permettant de faire face aux changements environnementaux et aux incertitudes paramétriques et dynamiques du véhicule. Les résultats ont d’abord montré que même en ce qui concerne les véhicules actuels, l’approche en amont peut offrir des avantages supplémentaires pour ce qui est de la résolution de problèmes à objectifs multiples. En outre, l’approche en amont permet de coordonner les sous-systèmes des véhicules présentant une sur-actionnement plus élevé. La tolérance aux pannes peut être assurée entre des systèmes de châssis complètement différents, et des objectifs qualitatifs, s'ils sont rigoureusement formalisés, peuvent être satisfaits. Plus les sous-systèmes seront nombreux à l'avenir, plus l'approche en amont deviendrait pertinente pour le contrôle du mouvement des véhicules. Nous espérons que les avantages conséquents présentés dans cette thèse grâce à une approche de coordination en amont optimale encourageraient les constructeurs automobiles et leurs équipementiers à opter pour des solutions plus ouvertes, à proposer ensemble les normalisations nécessaires et accélérer ainsi le développement des véhicules autonomes. / A large interest has been given recently to global chassis control. One of the main reasons for this would be the approach of fully autonomous vehicles. These vehicles, especially the SAE (J3016) level 5 of automation, are expected to replace the human driver in all situations. The automated vehicle should be able to manage coupled situations in harmony where longitudinal control, lateral control, and eventually vertical control are involved. To do so, the vehicle has more than one embedded system per control axis. Equipment suppliers and new entering automotive actors are continually proposing new solutions to satisfy a specific performance required from future passenger cars. Consequently, the car manufacturer has to coordinate different subsystems coming from different stakeholders to ensure a safe and comfortable driving experience. Until these days, car manufactures favoured simple solutions consisting on adding a coordination layer downstream the competing subsystems in order to mitigate eventual conflicts. Most of strategies adopted consist on prioritizing one system over another depending on predictable conflicting scenarios. Autonomous vehicles need additional subsystems to operate safely. Interactions between these subsystems will increase to the point of becoming unpredictable. This thesis focus on the coordination approach that should be adopted by future vehicles. Particularly, the coordination layer is moved upstream the standalone subsystems to ensure an optimal control distribution. This layer acts as a supervisor depending on optimization-based control allocation algorithms. The control synthesis is based on robust control theories to face environmental changes and the vehicle’s parameters and dynamics uncertainties. Results showed first that even regarding today’s vehicles, the upstream approach can offer additional advantages when it comes to multiple objectives problems solving. In addition, the upstream approach is able to coordinate subsystems of vehicles with a higher over-actuation. Fault-tolerance can be ensured between completely different chassis systems, and qualitative objectives, if rigorously formalized, can be satisfied. The more numerous subsystems will get in the future, the more relevant the upstream approach would become to vehicle motion control. We expect that the important benefits shown in this thesis thanks to an optimal upstream coordination approach would encourage car manufacturers and equipment to switch towards more open solutions, propose together the necessary standardizations, and accelerate the autonomous vehicles development.