Le monde des Véhicules à Deux Roues Motorisés (VDRM) a changé considérablement,en matière de qualité et de performances. Ces véhicules ont pris une place importante dans notre vie quotidienne, que ce soit pour les déplacements ou les loisirs, ce qui a contribué à l’augmentation et à la diversité du parc. Néanmoins, la sécurité des usagers est devenue une des préoccupations des institutions routières et des organismes de recherche, vu le nombre croissant des accidents et la vulnérabilité à laquelle sont confrontés. Nos travaux de recherche s’inscrivent dans la thématique d’étude (modélisation et observation) et d’analyse de la dynamique limite des VDRM. L’objectif étant la conception des outils nécessaires à l’établissement de systèmes d’aide à la conduite, de type préventif, dédiés à renforcer la sécurité du conducteur et à améliorer sa conduite. Le principal outil est un bon dispositif de simulation, vu les contraintesrencontrées pour la réalisation en pratique des tests, tel que la sécurité du pilote, le coût, etc. C’est ainsi, qu’une synthèse de trois modèles dynamiques non linéaires, àun corps, à deux corps et à cinq corps, est proposée. Une fonction de risque, relativeà l’angle de roulis du véhicule maximal, est établie. Sa variation en fonction desparamètres inertiels et géométriques de l’ensemble véhicule et conducteur, de leursdynamiques et de l’infrastructure, a fait l’objet d’une étude approfondie. La difficultéd’implémentation de nombreux capteurs, nous a conduit à concevoir des méthodesd’observation des dynamiques importantes pour la mise en pratique des systèmesde sécurité. Pour ce faire, nous avons reconstruit les grandeurs, contribuant à la dynamique latérale, par l’application de l’observateur Proportionnel Double Intégral(P2I) sur deux cas de modèles (3DDL et 4 DDL). La dernière partie du mémoire, est consacrée aux travaux réalisés sur l’instrumentation du prototype Scooter dont dispose le laboratoire. L’analyse des données enregistrées sur piste et la validation des techniques d’observation développées y sont détaillées. / The world of Powered Two Wheeled (PTW) vehicles has changed considerably in quality and performance. These vehicles have taken an important place in our live, whether for transportation or leisure, which contributed to the increasing and diversity of their park. However, the safety of users has become a concern of road institutions and research organizations, given the increasing number of accidents and vulnerability at which they are faced. Our research fall within the thematic study of modeling, observation and dynamic limit analysis of the PTW vehicles. The main objective is to design tools needed to establish safety systems, of preventive kind, dedicated to enhance driver safety and improve his conduct. The main tool is a good device simulation, given the constraints encountered in the practical realization of tests, such as driver safety, cost, etc. For this, a synthesis of three non-linear dynamic models of one body, two bodies and five bodies, is proposed. A risk function relative to the maximum roll angle of the vehicle is established. Its variation according to the inertial and geometric parameters of the whole vehicle and driver, their dynamics and infrastructure, has been subject of extensive study. The difficulty of implementing many sensors has led us to develop methods to reconstruct the important dynamics for the implementation of safety systems. To do this, we reconstructed quantities contributing to the lateral dynamics by applying the Proportional Two Integral (P2I) observer. The last part of the manuscript is devoted to the work carried out about the instrumentationof the Scooter prototype, available at our laboratory. The analysis of the recorded data on the test track and the validation of the observers developed are detailed.

Le problème posé dans cette thèse est de déterminer l'instrumentation permettant à un algorithme de filtrage d'estimer en temps réel, les états dynamiques d'un véhicule automobile. Ces états correspondent aux vitesses verticales de chaque coin du véhicule, des roues ainsi que les vitesses et déplacements relatifs du véhicule par rapport aux roues et des roues par rapport au sol. Ces états sont ensuite exploités par des systèmes de suspensions pilotées. Dans une première partie, il a été nécessaire de modéliser le véhicule à l'aide des équations de la mécanique en tenant compte de toutes les situations du véhicule. Dans cette partie, des simplifications ont été réalisées pour permettre l'exploitation des algorithmes par des calculateurs peu coûteux, adaptés économiquement à l'industrie automobile. Enfin, nous avons recalé les paramètres du modèle sur un véhicule prototype en exploitant des données expérimentales. Dans une seconde partie, nous avons réalisé des algorithmes de filtrage basés sur trois configurations de capteurs. Un premier faisant intervenir uniquement les capteurs de déplacement relatif des suspensions. Un second intégrant en plus des capteurs précédents, un accéléromètre positionné sur chaque coin du véhicule. Un troisième utilisant cette fois des accéléromètres positionnés sur chacune des roues. Cette étude nous à amené à exprimer différemment les variables du modèle et décomposer le modèle véhicule en quatre sous-systèmes, un par coin, en y associant pour chacun d'entre eux un algorithme d'estimation propre. Enfin, nous avons testé chaque algorithme en simulation à partir de mesures effectuées sur véhicule. Cette étape nous a permis de quantifier les performances de chaque configuration. Les résultats ont montré que la configuration 3 avec accéléromètres sur les roues est la solution la plus performante en vue d'une application par des systèmes de suspensions contrôlées. L'intérêt de ce travail réside essentiellement dans le fait qu'il est possible de réaliser en temps réel, un filtre de Kalman étendu en exploitant les calculateurs disponibles. Par ailleurs ce filtre montre également qu'il est préférable de privilégier des accéléromètres positionnés sur chacune des roues plutôt que sur chaque coin du véhicule.

Les travaux effectués lors de cette thèse se sont focalisés sur les applications des méthodes et techniques d'Automatique avancée à des problématiques actuelles de l'automobile. Les sujets abordés ont porté sur trois axes fondamentaux en s'appuyant sur des techniques telles que la synthèse H infini LTI et q-LPV, la linéarisation par bouclage dynamique, la retouche de correcteurs de type PI en particulier et l'optimisation des pondérations des filtres nécessaires aux synthèses H infini :* Contrôle de la trajectoire d'un véhicule automobile. Nous avons proposé une structure de commande reprenant une démarche classiquement mise en œuvre dans le milieu aéronautique ou spatial.* Contrôle de la chaîne d'air d'un moteur essence, turbocompressé. Nous avons proposé une formulation novatrice de type q-LPV du modèle du moteur. Cette formulation d'un nouveau modèle de commande nous a permis de synthétiser des correcteurs évolués à paramètres variables qui s'adaptent automatiquement au point de fonctionnement.* Contrôle du freinage d'un véhicule électrique. Pour cette partie, nous avons précisé la motivation et l'intérêt des véhicules électriques, puis étudié le gain d'autonomie potentiellement accessible par la mise en œuvre d'une récupération d'énergie au freinage. Finalement, des solutions permettant de réduire les oscillations induites dans la chaîne de traction par des demandes de couple freineur à la machine électrique ont été développées.

Les Véhicules Etroits et Inclinables (VEI) sont la convergence d'une voiture et d'un motocycle. Un mètre de largeur seulement suffit pour transporter une ou deux personnes en Tandem. Les VEI sont conçus dans le but de résoudre partiellement les problèmes de trafic routier, de minimiser la consommation énergétique et l'émission de polluants. De par leurs dimensions(ratio hauteur/largeur), ces véhicules doivent s'incliner en virage pour rester stable en compensant l'effet de l'accélération latérale. Cette inclinaison doit dans certains cas être automatique : elle peut être réalisée à l'aide d'un couple d'inclinaison généré par un actionneur dédié (système DTC), soit encore en modulant l'angle de braquage des roues (Système STC). Nous avons proposé dans ce mémoire une méthodologie de synthèse d'un régulateur structuré minimisant la norme H2 d'un problème bien posé au bénéfice d'une régulation optimisée de l'accélération latérale, considérant tour à tour les systèmes DTC et STC. Les régulateurs proposés sont paramétrés par la vitesse longitudinale et s'avèrent performants et robustes, et les moyens de réglages proposés permettent d'étudier l'intérêt relatif d'une solution DTC pure ou mixte DTC/STC, permettant de supporter les développements futurs sur le sujet. L'originalité des solutions proposées en regard des études rencontrées dans la littérature porte en particulier sur le fait de choisir de réguler directement l'accélération latérale perçue (plutôt que l'angle d'inclinaison), en anticipant la prise de virage par la prise en compte des angles et vitesse de braquage. L'optimisation de la régulation permet de réduire de manière importante le couple d'inclinaison requis, et l'accélération latérale subie par les passagers est faible. Tous les développements proposés s'appuient naturellement en amont sur un travail de modélisation (recherche du modèle juste nécessaire), et de bibliographie conséquent. Le modèle retenu comprend 5 degrés de libertés. Nous avons démontré qu'il possédait la propriété intéressante d'être plat, et avons utilisé cette propriété pour ouvrir des perspectives relatives à la conception d'un régulateur non-linéaire robuste, susceptible apriori d'accroître les performances dans le cas de " grands mouvements ". Au contraire de ce qui existe dans la littérature,le régulateur multivariable conçu pour le système SDTC permet le contrôle coordonné des actions sur les systèmes STC et DTC.

Les travaux effectués lors de cette thèse se sont focalisés sur les applications des méthodes et techniques d’Automatique avancée à des problématiques actuelles de l’automobile. Les sujets abordés ont porté sur trois axes fondamentaux en s’appuyant sur des techniques telles que la synthèse H infini LTI et q-LPV, la linéarisation par bouclage dynamique, la retouche de correcteurs de type PI en particulier et l’optimisation des pondérations des filtres nécessaires aux synthèses H infini :• Contrôle de la trajectoire d’un véhicule automobile. Nous avons proposé une structure de commande reprenant une démarche classiquement mise en œuvre dans le milieu aéronautique ou spatial.• Contrôle de la chaîne d’air d’un moteur essence, turbocompressé. Nous avons proposé une formulation novatrice de type q-LPV du modèle du moteur. Cette formulation d’un nouveau modèle de commande nous a permis de synthétiser des correcteurs évolués à paramètres variables qui s’adaptent automatiquement au point de fonctionnement.• Contrôle du freinage d’un véhicule électrique. Pour cette partie, nous avons précisé la motivation et l’intérêt des véhicules électriques, puis étudié le gain d’autonomie potentiellement accessible par la mise en œuvre d’une récupération d’énergie au freinage. Finalement, des solutions permettant de réduire les oscillations induites dans la chaîne de traction par des demandes de couple freineur à la machine électrique ont été développées. / The work achieved in this PhD thesis is dedicated to applications of advanced control methodologies to problems currently faced in the automotive field. Three main areas of investigation were successively considered, using advanced techniques such as H infinity LTI and q-LPV design procedures, dynamic feedback linearization, retuning of controllers, in particular PI-type, and optimization of filters required by the H infinity design procedure:• Trajectory control of automotive vehicle. A control structure has been proposed which is based on the procedure classically developed in the aeronautics field.• Robust nonlinear control of the air path of an internal combustion engine. An innovative q-LPV formulation of the motor has been proposed, which has enabled design of advanced controllers with varying parameters. These parameters are automatically updated according to the operating point.• Optimal control laws for brakes’s torque blending on electrical vehicle. Motivation and interest for electrical vehicle has been first detailed, then potential gain in autonomy due to regenerative braking has been studied. Finally, solutions which reduce oscillations in the power train chain induced by torque demand to the electrical machine during braking phases has been developed.

Nous étudions dans cette thèse les problèmes liés à la Commande Globale de Châssis (CGC) automobile. L'objectif est de développer des méthodes pour piloter différents actionneurs du véhicule (suspensions, freinage et direction) afin de les faire collaborer, dans le but d'améliorer le confort et la sécurité, et, de maitriser la dynamique du véhicule. Ce problème est complexe car il implique des dynamiques variées, non linéaires et de fortes contraintes au niveau des actionneurs. Les méthodes et outils utilisés sont issus des récents développements de l'automatique dans le domaine de la commande robuste pour les systèmes linéaires à paramètres variant (LPV). Dans ce contexte, les principaux thèmes développés concernent la modélisation, l'analyse et le contrôle des véhicules automobiles, ainsi que le contrôle robuste des systèmes LPV, utilisant les outils des inégalités linéaires matricielles (LMIs). Les principaux résultats traitent du développement de méthodes LPV pour la synthèse de commande robuste de suspension semi-active et de la synthèse de contrôle global de châssis (CGC) garantissant sécurité et agrément de conduite.

Les Véhicules Etroits et Inclinables (VEI) sont la convergence d’une voiture et d’un motocycle. Un mètre de largeur seulement suffit pour transporter une ou deux personnes en Tandem. Les VEI sont conçus dans le but de résoudre partiellement les problèmes de trafic routier, de minimiser la consommation énergétique et l’émission de polluants. De par leurs dimensions(ratio hauteur/largeur), ces véhicules doivent s’incliner en virage pour rester stable en compensant l’effet de l’accélération latérale. Cette inclinaison doit dans certains cas être automatique : elle peut être réalisée à l’aide d’un couple d’inclinaison généré par un actionneur dédié (système DTC), soit encore en modulant l’angle de braquage des roues (Système STC). Nous avons proposé dans ce mémoire une méthodologie de synthèse d’un régulateur structuré minimisant la norme H2 d’un problème bien posé au bénéfice d’une régulation optimisée de l’accélération latérale, considérant tour à tour les systèmes DTC et STC. Les régulateurs proposés sont paramétrés par la vitesse longitudinale et s’avèrent performants et robustes, et les moyens de réglages proposés permettent d’étudier l’intérêt relatif d’une solution DTC pure ou mixte DTC/STC, permettant de supporter les développements futurs sur le sujet. L’originalité des solutions proposées en regard des études rencontrées dans la littérature porte en particulier sur le fait de choisir de réguler directement l’accélération latérale perçue (plutôt que l’angle d’inclinaison), en anticipant la prise de virage par la prise en compte des angles et vitesse de braquage. L’optimisation de la régulation permet de réduire de manière importante le couple d’inclinaison requis, et l’accélération latérale subie par les passagers est faible. Tous les développements proposés s’appuient naturellement en amont sur un travail de modélisation (recherche du modèle juste nécessaire), et de bibliographie conséquent. Le modèle retenu comprend 5 degrés de libertés. Nous avons démontré qu’il possédait la propriété intéressante d’être plat, et avons utilisé cette propriété pour ouvrir des perspectives relatives à la conception d’un régulateur non-linéaire robuste, susceptible apriori d’accroître les performances dans le cas de « grands mouvements ». Au contraire de ce qui existe dans la littérature,le régulateur multivariable conçu pour le système SDTC permet le contrôle coordonné des actions sur les systèmes STC et DTC. / Narrow Tilting Vehicles (NTV) are the convergence of a car and a motorcycle. One meter wide, these vehicles are designed for one or two people sitting the one in front the other. The idea behind the conception of NTV is the minimization of traffic congestion, energy consumption and pollutant emission. But because of their dimensions, these cars would have to lean into corners in order to compensate for the lateral acceleration and maintain their stability. The tilting should be automatic, and can be achieved by a tilting torque generated by a dedicated tilting actuator (DTC) or by modifying the steering angle (STC) or both (SDTC). In this thesis, we first propose a methodology for the design of an output feedback structured regulator, minimizing the H2 norm of a well-posed problem, built to optimize the lateral acceleration of the NTV, considering DTC and SDTC systems.The designed controllers, with the longitudinal velocity as a parameter, lead to the minimization of the tilting torque and of the lateral acceleration perceived by the driver, and have good performances as well as good robustness properties. Furthermore, the tuning methodology allows the comparison of a pure DTC solution and a mixed SDTC alternative. Compared to the literature, the originalities in this thesis are the direct control of the measured value of the lateral acceleration (instead of the tilting angle), and the anticipation of the tilt, thanks to the use of the steering angle and angular velocity. Furthermore, the SDTC solution allows to drive both the STC and DTC systems in a coordinated manner. The design strategies are based on a preliminary study of vehicle models, and a design model with 5DoF was developed. We demonstrated that the model has the nice property to be flat, and in the last section of the thesis, used this property to initiate the design of a non-linear robust controller, which can a priori lead to better performances in case of “large motions”.

Concevoir un composant automobile et s’assurer que celui-ci atteindra un niveau de fiabilité cible requière une connaissance précise de la variabilité des chargements que ce composant est susceptible de rencontrer dans son environnement d’utilisation. La grande diversité des chargements appliqués à différents véhicules par différents clients, ou à un même véhicule tout au long de son historique d’utilisation, représente un défi statistique majeur. Généralement, l’acquisition d’information relative à la variabilité des chargements imposés aux composants des véhicules, repose sur la réalisation de campagnes de mesures. La complexité, la durée et le coût de telles campagnes limite naturellement la taille des échantillons statistiques constitués et les chargements enregistrés sont inévitablement dépendants du véhicule utilisé pour la mesure.Le travail présenté dans ce manuscrit explore la possibilité de changer fondamentalement d’approche, en se basant sur la simulation plutôt que sur la mesure et en concentrant l’effort d’analyse statistique non pas directement sur la variabilité des chargements mais sur la variabilité des facteurs qui les déterminent. Dans ce but, des modèles stochastiques sont proposés pour décrire l’évolution de la géométrie des surfaces de routes rencontrées par les véhicules ainsi que l’évolution de la vitesse à laquelle les conducteurs les parcourent. La caractérisation de la variabilité de ces facteurs est couplée à la notion de situations de vie. Ces dernières permettent de segmenter l’historique d’utilisation des véhicules, afin de faciliter l’analyse statistique de leur évolution au sein d’une population de clients. Pour finir, la réponse dynamique du véhicule à l’excitation générée par la route est déduite par la simulation.Des données statistiques relatives à la variabilité des facteurs de route et de vitesse sont évidemment nécessaires. L’information sur les routes parcourues peut par exemple être acquise à moindre coût au moyen d’une méthode d’estimation des profils de route proposée dans ce manuscrit. Cette information peut ensuite être exploitée afin de constituer, par la simulation, à un coût très faible et pour n’importe quel véhicule dont les caractéristiques sont connues, un échantillon d’historiques de chargements aussi important que souhaité. Cette méthodologie basée sur la simulation offre la possibilité d’analyser plus largement la variabilité des chargements de fatigue provenant de la route, l’influence des différents facteurs qui les déterminent ainsi que l’effet sur la fiabilité des composants du véhicule étudié. / In order to design vehicle components that will achieve a prescribed reliability target, it is imperative to possess a precise description of the variability of the loads to which such components may be subjected within the environment in which they are used. The strong diversity of the loads imposed on different vehicles by different customers, or on a particular vehicle throughout its life, constitutes a formidable statistical challenge. Generally, the acquisition of information about the load variability experienced by vehicle components is based on the use of load measurement campaigns. The complexity, duration and cost of such campaigns naturally limit the size of the statistical samples that may be collected. Moreover, the recorded load histories are inevitably dependent on the vehicle used for the measurements.The work presented within this manuscript explores the possibility of a fundamental change in the approach to load characterisation. The objective is to make use of simulation rather than measurements and focus statistical analysis efforts not directly on load variability itself but on the variability of the factors that determine such loads. Stochastic models are proposed to describe the evolution of the geometry of road surfaces covered by vehicles, as well as the evolution of vehicles’ speed on those road surfaces. The characterisation of the variability of such factors is performed in combination with the use of life situations. The latter may be employed to divide the load histories associated to different vehicles, within a population of customers, and analyse their variation more easily. Eventually, the dynamic response of the vehicle to the excitation imposed by the road can bederived through simulation.Statistical data on the variation of the road and speed factors obviously have to be acquired in order to apply the methodology. For example, road-related information may be obtained through the use of a road profile estimation algorithm proposed within the framework of this manuscript. Such information may then be exploited to constitute, through simulation, an arbitrarily large set of load histories at a very low cost and for any vehicle whose mechanical characteristics are known.The proposed methodology based on simulation enables us to study more extensively the variability of road-induced fatigue loads, the influence of the different factors that determine such loads, as well as the effect they have on the reliability of any considered vehicle component.