La thématique étudiée dans ce mémoire est axée sur la préservation de la stabilité dynamique de véhicules évoluant en environnement naturel. En effet, la mobilité en milieu tout-terrain est une activité particulièrement pénible et dangereuse en raison de la nature difficile de l'environnement de conduite et de la reconfigurabilité des machines. Le caractère changeant et incertain des interactions rencontrées entre des véhicules à dynamique complexe et variable et leur environnement entraîne régulièrement des risques accrus de renversement et/ou de perte de contrôle (dévalement, dérapage déclenché par une perte soudaine d'adhérence) pour le conducteur. Une forte accidentalité mortelle est, en effet, recensée dans ce secteur, en particulier, dans le milieu agricole ou le renversement de véhicule est classé comme étant la première cause de mortalité au travail. A l'heure actuelle, les approches existantes sur la stabilité d'engins agricoles sont qualifiées à juste titre de passives car elles ne permettent pas d'éviter que les accidents ne se produisent. Par ailleurs, la transposition directe des solutions de sécurité active du secteur de l'automobile (ABS, ESP) s'est révélée inadaptée aux véhicules tout-terrain a cause des hypothèses simplificatrices (routes plates et homogènes, conditions d'adhérence constantes, etc.) dont souffre la conception de ces dispositifs. Ainsi, le développement de systèmes actifs de sécurité prenant en compte les spécificités de la conduite en milieu tout-terrain se révèle être la meilleure voie d'amélioration à suivre. Eu égard à ces circonstances, ce projet se propose d'adresser cette problématique en étudiant des métriques de stabilité pertinentes permettant d'estimer et d'anticiper en temps réel les risques afin de permettre des actions correctives pour la préservation de l'intégrité des machines tout-terrain. Afin de faciliter l'industrialisation du dispositif actif de sécurité conçu, l'une des contraintes sociétales et commerciales de ce projet a été l'utilisation de capteurs compatibles avec le coût des machines visées. L'objectif ambitieux de cette étude a été atteint par différentes voies. En premier lieu, une approche de modélisation multi-échelle a permis de caractériser l'évolution dynamique de véhicules en milieu tout-terrain. Cette approche à dynamique partielle a offert l'avantage de développer des modèles suffisamment précis pour être représentatifs du comportement réel de l'engin mais tout en présentant une structure relativement simple permettant la synthèse d'asservissements performants. Puis, une étude comparative des avantages et des inconvénients des trois grandes familles de métriques répertoriées dans la littérature a permis de mettre en exergue l'intérêt des métriques analytiques à modèle dynamique par rapport aux catégories de critères de stabilité dits statiques et empiriques. Enfin, l'analyse approfondie des métriques dynamiques a facilité le choix de trois indicateurs (Lateral and Longitudinal Load Transfer (LLT), Force Angle Stability Measurement (FASM) et Dynamic Energy Stability Measurement (DESM)) qui sont représentatifs d'un risque imminent de renversement du véhicule. La suite du mémoire s'appuie sur la théorie d'observation pour l'estimation en ligne des variables non directement mesurables en milieu tout-terrain telles que les rigidités de glissement et dérive du pneumatique. Jumelée aux différents modèles dynamiques du véhicule, la synthèse d'observateurs a permis donc d'estimer en temps réel les efforts d'interaction pneumatiques-sol nécessaires à l'évaluation des indicateurs d'instabilité. Le couplage de ces modèles multi-échelles à la théorie d'observation a ainsi constitué un positionnement original à même de briser la complexité de la caractérisation de la stabilité de véhicules à dynamiques complexes et incertaines. (...) / 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 sector, 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 models 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 categories 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 necessaries 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. (...)

La problématique de cette thèse réside dans la caractérisation et le maintien de la stabilité des Véhicules Légers Tout Terrain (VLTT). Elle se concentre plus particulièrement sur le développement de systèmes de sécurité actifs capables à la fois de prévenir le conducteur des risques encourus mais aussi de les limiter afin d'assurer l'évolution du véhicule dans une zone de stabilité prédéfinie. Comme le cadre expérimental privilégié est l'application à la stabilité des quadricycles légers à moteurs, plus connus sous le terme anglophone "quad", une des contraintes du projet a été de se limiter à un système sensoriel bas-coût afin d'être en mesure d'industrialiser un tel système. En premier lieu, les métriques de stabilité (Transfert de Charge Latéral et Longitudinal : TCLa et TCLo) ont été choisies grâce à une étude préliminaire sur la stabilité des VLTT. Par la suite, une modélisation 2D en roulis et en tangage avec la prise en compte des déplacements du pilote sur le véhicule sont présentées, ce qui permet d'estimer respectivement le TCLa et le TCLo uniquement à partir de la mesure de l'accélération latérale et longitudinale. Étant donné que pour la suite des travaux, l'anticipation du risque de renversement latéral est nécessaire, un modèle 2D en lacet du véhicule est proposé afin d'obtenir un modèle analytique décrivant la dynamique latérale du véhicule. La suite du mémoire présente les différentes techniques d'observation proposées pour l'estimation des variables et paramètres non-directement mesurables du modèle en lacet du véhicule et qui influencent sa stabilité latérale : les glissements, les conditions d'adhérence et les inclinaisons du véhicule. Plusieurs observateurs ont été proposés, dont le dernier permet de considérer des conditions d'adhérence différentes entre les essieux avant et arrière en utilisant plus largement les accélérations mesurées. Cela permet d'intégrer les passages de sous- à sur-vireur qu'il est essentiel de considérer quand on étudie la stabilité de ce type de véhicule. Ainsi, l'estimation des glissements est toujours pertinente, ce qui permet d'obtenir par la suite une meilleure prédiction de la métrique de stabilité latérale (TCLa) quel que soit le comportement du véhicule. Puis en s'appuyant sur les estimations des observateurs couplées aux modèles dynamiques du véhicule et sur l'extrapolation des commandes du conducteur sur un horizon de prédiction, il est possible de prédire les évolutions du TCLa. Cette valeur prédite ainsi que les estimations en ligne des métriques de stabilité constituent alors le point d'entrée pour la synthétisation d'un système de sécurité actif dédié aux VLTT. Celui-ci est basé sur la génération d'un retour d'effort au niveau de la gâchette des gaz permettant soit d'informer le pilote du risque encouru par la création d'une sensation de dureté, soit d'imposer le retour complet de la gâchette des gaz, ce qui implique une diminution de la vitesse et donc la réduction du risque. Finalement, dans le cas où il est possible de maîtriser la vitesse du véhicule par l'installation d'un système de rétroaction sur les freins (Quad haut de gamme ou robot mobile), les derniers travaux présentés s'intéressent aux techniques de commande prédictive à modèle afin de calculer en temps-réel la vitesse maximale admissible, qui assure l'évolution du critère de stabilité choisi dans un domaine de stabilité. Les modèles, les observateurs, la prédiction du TCLa et les 2 systèmes de prévention présentés dans ce mémoire ont été validés et testés au travers de simulations avancées et d'essais expérimentaux réalisés sur un quad agricole et un robot autonome. Il apparaît alors qu'en plus d'être efficace pour la prévention des risques de renversement à hautes dynamiques, le système de sécurité est industriellement viable. Cela a été rendu possible grâce à une conception reposant uniquement sur des actionneurs et un système sensoriel, dont les coûts sont en adéquation avec le prix d'un VLTT. / This dissertation addresses the topic of lateral dynamic stability of light All-Terrain Vehicles (ATV) in a o-road environment. In particular, the developments are focused on the design of active security system allowing both to prevent the driver of the rollover risk and to ensure the vehicle stability within a safety margin. As the experimental framework is focused on light ATV (e.g. quad bikes), the main limitation of the project has been to keep a low cost sensing equipment in order to keep a possible industrialization. First, the stability metrics (Lateral and Longitudinal Load Transfer : LaLT and LoLT) have been chosen thanks to a preliminary study on the ATV stability. Then, two 2D models (roll and pitch) are proposed allowing to estimate the LaLT and the LoLT from the only acceleration measures and within the driver displacements on the vehicle. However, as the anticipation of lateral risk is mandatory for the next stage of the work, a 2D yaw model is also proposed in order to obtain an analytic model of the vehicle lateral dynamic. Then, the different observation techniques are presented to estimate the variables and parameters of the yaw model, who are not directly measurable and who inuence the lateral stability : sliding, grip conditions and vehicle slopes. Several observers are proposed, whose the last one permits to estimate separately the grip conditions between the front and rear axle thanks to a particular use of the acceleration measure. It allows to take into account the switch between the under- and over-steering behaviour influencing largely the vehicle stability. Thus, the sliding estimations are always relevant what permits to obtain a better prediction of the lateral stability metric (LaTT) whatever the vehicle behaviour. Then, thanks to the observer estimations combined with the vehicle dynamic models and an extrapolation of the driver inputs on a prediction horizon, the Lateral Load Transfer can be predicted. This latter value as well as the online estimations of the two stability metrics are the input of the active security system, which is based on the generation of a counter-force on the trigger. Thus, this system allows first to inform continuously the driver of the incurred risk thanks to a trigger feel harder to press. Secondly, if the risk is too important, the system is able to force the full return of the trigger, what reduces the vehicle speed and consequently the risk. Finally, a control law based on the Predictive Functional Control (PFC) theory has been designed to ensure the lateral stability of the vehicle. This control law allows to calculate in real time the maximal speed ensuring the evolution of the stability metric into a safety range. Nevertheless, this solution is only available for vehicles where it is possible to regulate their speed thanks to a control system on the brake. The models, the observers, the prediction of the LaLT and the two prevention systems presented in this dissertation have been validated and tested through several advanced simulations, a actual quad bike and autonomous mobile robot. Moreover, the security system appears to be directly integrated to industry, as its design rests upon low cost actuators and sensors compared to the price of actual quad bikes.