La voiture autonome pourrait réduire le nombre de morts et de blessés sur les routes tout en améliorant l'efficacité du trafic. Cependant, afin d'assurer leur déploiement en masse sur les routes ouvertes au public, leur sécurité doit être garantie en toutes circonstances. Cette thèse traite de l'architecture de planification et de contrôle pour la conduite automatisée et défend l'idée que l'intention du véhicule doit correspondre aux actions réalisées afin de garantir la sécurité à tout moment. Pour cela, la faisabilité cinématique et dynamique de la trajectoire de référence doit être assurée. Sinon, le contrôleur, aveugle aux obstacles, n'est pas capable de la suivre, entraînant un danger pour la voiture elle-même et les autres usagers de la route. L'architecture proposée repose sur la commande à modèle prédictif fondée sur un modèle bicyclette cinématique afin de planifier des trajectoires de référence sûres. La faisabilité de la trajectoire de référence est assurée en ajoutant une contrainte dynamique sur l'angle au volant, contrainte issue de ces travaux, afin d'assurer que le modèle bicyclette cinématique reste valide. Plusieurs contrôleurs à haute-fréquence sont ensuite comparés afin de souligner leurs avantages et inconvénients. Enfin, quelques résultats préliminaires sur les contrôleurs à base de commande sans modèle et leur application au contrôle automobile sont présentés. En particulier, une méthode efficace pour ajuster les paramètres est proposée et implémentée avec succès sur la voiture expérimentale de l'ENSIAME en partenariat avec le laboratoire LAMIH de Valenciennes. / Autonomous vehicles are believed to reduce the number of deaths and casualties on the roads while improving the traffic efficiency. However, before their mass deployment on open public roads, their safety must be guaranteed at all time.Therefore, this thesis deals with the motion planning and control architecture for autonomous vehicles and claims that the intention of the vehicle must match with its actual actions. For that purpose, the kinematic and dynamic feasibility of the reference trajectory should be ensured. Otherwise, the controller which is blind to obstacles is unable to track it, setting the ego-vehicle and other traffic participants in jeopardy. The proposed architecture uses Model Predictive Control based on a kinematic bicycle model for planning safe reference trajectories. Its feasibility is ensured by adding a dynamic constraint on the steering angle which has been derived in this work in order to ensure the validity of the kinematic bicycle model. Several high-frequency controllers are then compared and their assets and drawbacks are highlighted. Finally, some preliminary work on model-free controllers and their application to automotive control are presented. In particular, an efficient tuning method is proposed and implemented successfully on the experimental vehicle of ENSIAME in collaboration with the laboratory LAMIH of Valenciennes.

Cette thèse s’inscrit dans le développement et la conception de fonctions d’aide à la conduite pour les véhicules autonomes de niveau 3 et plus en milieu urbain ou péri urbain. Du fait d’un environnement plus complexe et de trajectoires possibles plus nombreuses et sinueuses, les algorithmes des véhicules autonomes développés pour l’autoroute ne sont pas adaptés pour le milieu urbain. L’objectif de la thèse est de mettre à disposition des méthodes et des réalisations pour permettre au véhicule autonome d’évoluer en milieu urbain. Cette thèse se focalise sur la proposition de solutions pour améliorer le guidage latéral des véhicules autonomes en milieu urbain à travers l’étude de la planification de trajectoire en situation complexe, l’analyse du comportement des usagers et l’amélioration du suivi de ces trajectoires complexes à faibles vitesses. Les solutions proposées doivent fonctionner en temps réel dans les calculateurs des prototypes pour pouvoir ensuite être appliquées sur route ouverte. L’apport de cette thèse est donc autant théorique que pratique.Après une synthèse des fonctions d’aide à la conduite présentes à bord des véhicules et une présentation des moyens d’essais mis à disposition pour la validation des algorithmes proposés, une analyse complète de la dynamique latérale est effectuée dans les domaines temporel et fréquentiel. Cette analyse permet alors la mise en place d’observateurs de la dynamique latérale pour estimer des signaux nécessaires aux fonctions de guidage latéral et dont les grandeurs ne sont pas toujours mesurables, fortement dégradées ou bruitées. La régulation latérale du véhicule autonome se base sur les conclusions apportées par l’analyse de cette dynamique pour proposer une solution de type multirégulateur capable de générer une consigne en angle volant pour suivre une trajectoire latérale quelle que soit la vitesse. La solution est validée tant en simulation que sur prototype pour plusieurs vitesses sur des trajectoires de changement de voie. La suite de la thèse s’intéresse à la génération d’une trajectoire en milieu urbain tenant compte non seulement de l’infrastructure complexe (intersection/rond-point) mais également des comportements des véhicules autour. C’est pourquoi, une analyse des véhicules de l’environnement est menée afin de déterminer leur comportement et leur trajectoire. Cette analyse est essentielle pour la méthode de génération de trajectoire développée dans cette thèse. Cette méthode, basée sur l’algorithme A* et enrichie pour respecter les contraintes géométriques et dynamiques du véhicule, se focalise d’abord dans un environnement statique complexe de type parking ou rond-point. Des points de passage sont intégrés à la méthode afin de générer des trajectoires conformes au code de la route et d’améliorer le temps de calcul. La méthode est ensuite adaptée pour un environnement dynamique où le véhicule est alors capable, sur une route à double sens de circulation, de dépasser un véhicule avec un véhicule arrivant en sens inverse. / This thesis is about the design of driving assistance systems for level 3 urban automated driving. Because of a more complex of the environment and a larger set of possible trajectories, the algorithms of highway automated driving are not adapted to urban environment. This thesis objective is to provide methods and algorithms to enable the vehicle to perform automated driving in urban scenarios, focusing on the vehicle lateral guidance and on the path planning. The proposed solutions operate in real-time on board of the automated vehicle prototypes. The contribution of this thesis is as theoretical as practical.After a synthesis of the driving assistance systems available on current cars and a presentation of the prototypes used for the validation of the algorithms developed in the thesis, a complete analysis of the vehicle lateral dynamics is carried out in time and frequency domains. This analysis enables the design of observers of the lateral dynamics in order not only to estimate signals required for the lateral guidance functions but also to increase reliability of available measurements. Based on the conclusions from the analysis of lateral dynamic, a multi-controller solution has been proposed. It enables the computation of a steering wheel input to follow a trajectory at any longitudinal speed. The solution is validated in simulation and on real road traffic for lane change scenarios. Another contribution consist in an analysis on the other vehicles of the environment is conducted in order to identify their behaviors and which maneuver there are performing. This analysis is essential for the path planning function developed in the thesis. This method, based on the A* algorithm and extended to respect geometric and dynamic constraints, firstly focuses on static environment such as a parking lot. Waypoints are added to the method in order to compute trajectories compatible with traffic regulation and improve the computation time. The method is then adapted for dynamic environment where, in the end, the vehicle is able to perform overtaking manoeuvers in a complex environment.

Cette thèse traite de modélisation des systèmes complexes. Dans ce cadre, l'approche est basée sur les Modèles Structurés en Second Ordre (MSSO). Afin d'utiliser cette classe de modèles, les propriétés telles que l'atteignabilité, l'observabilité et les grammiens, bien connues pour les réalisations d'états, sont étendues aux MSSO.Lors de la co-simulation d'un système, des éléments de natures différentes (physiques et logicielles) sont intégrés et la simulation est effectuée en temps réel. Or, les modèles d'ordre élevés sont couteux en temps de calcul, ce qui rend difficile ce type de simulation. Ainsi, des méthodes de réduction de modèle sont explorées. En particulier, de nouvelles méthodes, permettant de préserver la structure des modèles avec une bonne erreur d'approximation sont présentées.Ces développements sont appliqués à la co-simulation de modèles véhicules sous forme de MSSO. Le modèle créé est un modèle par blocs, complexe et non-linéaire. Afin d'appliquer les méthodes de réduction de modèle il est nécessaire de le linéariser. La structure par blocs permet de linéariser l'ensemble du modèle ou de ne linéariser que certaines sous parties du modèle.Ensuite, l'identification des paramètres est effectuée pour chaque sous-systèmes du véhicule. Une méthode d'interconnexion est ensuite proposée pour créer une représentation monobloc du modèle afin de réduire ce dernier. Au final, des essais en co-simulation de la partie arrière du véhicule sous forme de modèle interconnectée avec la partie avant du véhicule physiquement présente sur un banc de test, valide notre approche pour effectuer de la co-simulation temps réel avec matériel.x / This thesis studies the modeling of complex systems. In this framework, the approach is based on Second Order Form Model (SOFM). In order to use this kind of models, properties such as the reachability, the observability, the gramians and the Markov parameters, well known for state-space representation, are extended to the SOFM. During the co-simulation of a system, its physical parts are interconnected to models which simulate the system environement and the simulation is performed in real time. However, the simulation of high order models consumes to much time to be performed in real time. Therefore, model order reduction methods are studied. Particularly, new methods preserving SOFM structure with a good approximation error are presented. These developments are applied to the vehicle dynamic. Hence, a vehicle SOFM model is developed. The created model is a blockwise model where each blocks describes a part of the vehicle. This model is complex and non-linear. In order to apply the model order reduction methods, model linearisation is necessary. The block modeling allows to linearise the full model or allows to linearise some part of the model. Then, the identification of the model parameters is done by vehicle sub-system. In addition, an interconnection method is proposed to build a monobloc model in order to reduce it. Finally, co-simulations of the model vehicle rear part interconnected to the physical front part of the vehicle show the capacity to make co-simulation with the reduced models.

Le véhicule est un système dynamique complexe, composé de différents sous-systèmes de nature différente (moteur, système de freinage, suspension ...). Chaque sous-système est décrit par un modèle mathématique dépendant d’un nombre important de paramètres, très souvent incertains (méconnaissance, manque de mesures,…). L’incertitude sur les paramètres se propage à travers le modèle et se retrouve sur la sortie. Cette dernière représente les forces et moments mis en jeu dans le véhicule. L’incertitude sur la sortie n’est pas toujours tolérable pour des raisons de sécurité, précision,…Situé dans ce contexte, les travaux de la thèse consistent à proposer des méthodes d’analyse de sensibilité permettant de déterminer les paramètres dont les incertitudes ont un effet significatif sur le comportement d’un système donné, en particulier le véhicule. Dans une première partie, le cas des modèles à paramètres dépendants et suivant une distribution arbitraire est étudié. Une méthode, basée sur la décorrélation des paramètres par la décomposition de Cholesky, a été proposée. Pour résoudre le problème de la distribution arbitraire, l’approximation par polynôme du chaos arbitraire est adoptée, en construisant une base orthonormale en termes de moments statistiques non centrés des paramètres. Les indices de sensibilité, permettant de quantifier la contribution de chaque paramètre à la variance de la sortie, sont obtenus directement à partir des coefficients des polynômes du chaos ainsi obtenus. La méthode proposée est appliquée et validée sur un modèle de pneumatique. Dans la deuxième partie, le cas des modèles dynamiques est traité. Une méthode basée sur les dérivées partielles est explorée, puis une approche alternative est proposée. Elle utilise de façon originale des outils de l’Automatique, les grammiens d’atteignabilité et d’observabilité. L’influence des paramètres sur l’énergie consommée en entrée et restituée par le système en sortie est ainsi déterminée. L’avantage de cette technique est que les paramètres peuvent être classifiés selon leurs influences sur l’énergie consommée ou restituée, tout au long de la dynamique du système. D’autre part, l’étude de la sensibilité des paramètres sur les échanges de l’énergie, permet de déterminer un placement optimal des paramètres pour une optimisation de l’énergie consommée et restituée en sortie. Les deux méthodes proposées sont appliquées et validées sur un modèle bicyclette décrivant le comportement dynamique d’un véhicule. Dans la dernière partie, des tests sur véhicule d’essais ont été réalisés sur circuit. Les différentes approches d’analyse de sensibilité ont été appliquées sur les résultats d’essais, afin de recaler des modèles de pneumatique. / The vehicle is a complex dynamic system, composed of various subsystems of different kind (engine, braking system, suspension, etc.). Each subsystem is described by a mathematical model depending on a significant number of parameters, very often uncertain (unknown, lack of measures, etc.). The uncertainty on the parameters is propagated through the model and takes place on the model output. The model output represents the forces and moments involved in the vehicle. The uncertainty on the model output is not always tolerable for safety reasons, precision, etc. In this context, the aim of the thesis is to propose sensitivity analysis methods allowing to determine parameters whose uncertainties have a significant effect on the behavior of a given system. In the first part, the case of models with dependent parameters which follow an arbitrary distribution is studied. A method based on the decorrelation of the parameters using the decomposition of Cholesky, is proposed. To solve the problem of the arbitrary distribution, an approximation using arbitrary polynomial chaos is adopted and an orthonormal data basis is constructed in terms of non central statistical moments of parameters. Sensitivity indices, allowing to quantify the contribution of every parameter to the model output variance, is directly obtained from the polynomial chaos coefficients.The proposed method is applied and validated on a tyre model. In the second part, the case of the dynamic models is studied. A method based on partial derivative is explored. Then a new alternative approach is proposed. This method uses in an original way the control theory tools, the reachability and observability Gramians. The influence of the parameters is formulated in terms the energy consumed and restored by the system. The advantage of this technique is that the parameters can be classified according to their influences on the consumed or restored energy throughout the system dynamics. On the other hand, the study of the parameters sensitivity based on ratio energy exchanged, allows to determine an optimal placement of the parameters for an optimization of consumed and/or restored energy. Both proposed methods are applied and validated using bicycle model describing vehicle dynamic behavior. Finally, the various sensitivity approaches are applied to adjust tyre model parameters using vehicle measurements acquired during a steady-state maneuver.

Ces dernières décennies, la recherche et l'application de l'automatique dans les domaines de l'automobile, a contribué fortement dans les aspects sécurité, confort des usagers, économie d'énergie et aide au pilotage.Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse est le développement d'observateurs par modes de glissement pour l'estimation des états dynamiques, les paramètres dynamiques ainsi que les attributs de la route (dévers de la route), considérés comme des entrées inconnues. Ce type d'observateur est basé sur la théorie des systèmes à structures variables et par l'utilisation d'un modèle représentant de façon réaliste le comportement dynamique du véhicule. A cet effet une proposition de découpage de modèle dynamique complet du véhicule en trois sous-systèmes basé sur le théorie de la passivité a été proposé. Toutes les approches développées ont été validées sur les deux simulateurs de véhicules SCANeRstudio et SIMK106N. / The general framework of the research is the application of the nonlinear control tools (Robust control, Sliding mode Observer, Algebric approach,...) in order to improve the security of vehicle. The estimation of tire road force has become an intensive research area as the interest in information technology in vehicles grows. More and more new safety technologies and approaches are introduced in the automotive environment. Therefore, the problem of traction control for ground vehicles is of enormous importance to automotive industry.We split the dynamic model of vehicle into five subsystems regrouped in three blocks and then show and justify the rationale behind the successful splitting. Thesubsystems and the overall system obey to the passivity property. Robust observer are proposed to estimate the road features.

Cette thèse traite la synthèse de lois de commande tolérantes aux défauts (FTC) pour le contrôle de la dynamique du châssis du véhicule automobile. L'étude est basée sur l'approche multimodèle avec la formulation et la résolution des problèmes de synthèse de lois de commande en utilisant les techniques LMI (Inégalités Matricielles Linéaires).<br />La première partie consacrée à la FTC passive comporte trois chapitres. La première concerne la synthèse d'une loi de commande multimodèle par retour d'état reconstruit. Les incertitudes dues aux erreurs de modélisation et aux variations paramétriques sont prises en compte. Les conditions de stabilité sont données sous forme Inégalités Matricielles Bilinéaires (BMI) avec la proposition d'un algorithme de résolution en deux étapes. Cette loi de commande a été ensuite appliquée pour le contrôle de la dynamique latérale d'un véhicule automobile à quatre roues directrices. Cette dernière a été modélisée par un multimodèle incertain valable dans une large zone de variation de l'angle de dérive.<br />La seconde approche traite la conception d'une loi de commande basée sur observateur avec rejet de perturbations extérieures. L'avantage que représente cette méthode par rapport à celles existantes dans la littérature est la formulation des conditions de stabilité sous forme LMI. Ainsi les gains du contrôleur et les gains de l'observateur sont obtenus en une seule étape, ce qui introduit plus de relaxation. La loi de commande développée a été ensuite appliquée pour le contrôle de la dynamique latérale d'un véhicule automobile en considérant le moment autour du centre de gravité du véhicule comme entrée de commande.<br />La troisième approche proposée est une loi de commande adaptative à mode glissant en vue du contrôle du taux de glissement longitudinal lors de l'opération de freinage d'un véhicule automobile. Elle a comme avantage de combiner le mode glissant, connu par ses propriétés de robustesse vis à vis des perturbations extérieures et des erreurs de modélisation, et la représentation multimodèle/floue connue par ses propriétés d'approximateur universel. Cette loi de commande a été validée par une application réelle sur un prototype du système de freinage et d'anti-blocage ABS disponible au laboratoire M.I.S.<br /><br /><br />La deuxième partie de notre travail concerne la FTC active en s'appuyant sur les résultats développés dans la partie précédente. Trois stratégies de commandes actives tolérantes aux défauts capteurs ont été proposées pour le maintien de la stabilité latérale du véhicule automobile avec/sans présence des défauts capteurs. Les trois stratégies utilisent un bloc de détection et d'identification des défauts (FDI) constitué d'un banc d'observateurs, d'un bloc pour l'accommodation et la correction de la loi de commande et un bloc de décision sélectionnant la bonne loi de commande. Ceci permet de maintenir le bon comportement latéral du véhicule automobile lorsqu'un des capteurs utilisés devient défaillant. Dans les trois stratégies nous n'avons traité que les défauts capteurs additifs et en supposant qu'à chaque instant au maximum un seul capteur peut être défaillant. Elles se différentient entre elles essentiellement par les algorithmes de détection et d'isolation des défauts et les algorithmes de contrôle utilisés.

Le pneumatique est un élément essentiel pour la tenue de route, le confort et la sécurité d'un véhicule. Cependant, un sous-gonflage accentue les risques d'éclatement, provoque une usure rapide du pneumatique et augmente la consommation de carburant. Il est donc important de développer des systèmes de surveillance de la pression des pneumatiques (SSPP). Une première approche, dite "directe", consistant à utiliser des capteurs de pression s'avère onéreuse et peu fiable (possibilité de pannes). Les nouvelles générations de SSPP favorisent les méthodes "indirectes", sans capteur de pression. La surveillance est assurée à partir des grandeurs physiques liées à la pression. La baisse de la pression se traduit par une augmentation de la vitesse angulaire de la roue, un déplacement des modes vibratoires du véhicule, une diminution du rayon effectif de la roue et une augmentation de la résistance au roulement. L'approche basée sur la comparaison des vitesses angulaires des roues ne répond pas aux exigences concernant la chute de pression minimale que l'on doit détecter et le nombre de pneumatiques dégonflés détectables. Une solution fondée sur l'analyse spectrale des signaux de vitesses angulaires permet d'améliorer les performances mais présente un temps de convergence important. Le premier objectif de ce travail de thèse est donc de réduire le coût de calcul de ces algorithmes. Nous étudions dans le cadre de cette thèse la possibilité de se servir des modèles de la dynamique de la roue et du véhicule pour la mise en oeuvre d'observateurs de grandeurs qui dépendent de la pression. Le deuxième objectif de ce travail de thèse est de proposer des observateurs capables d'estimer conjointement le rayon effectif et la résistance au roulement des roues sans rajout de capteurs supplémentaires. Les travaux menés pendant cette thèse sont orientés vers des aspects méthodologiques et expérimentaux à travers la mise en oeuvre des méthodes et leur application à des données réelles.

Les environnements virtuels, et en particulier les simulateurs de conduite à plate-forme dynamique, posent la délicate question de la restitution multisensorielle en vue de générer la bonne "illusion" pour leurs utilisateurs. Si la réalité virtuelle est reconnue pour la limitation des coûts, le gain temporel et la contrôlabilité et reproductibilité des situations étudiées, la problématique de la validité de ces outils de recherche (ou de formation) est cruciale pour la transférabilité des connaissances produites.Constituant une première étape dans le processus de validation du simulateur IFSTTAR, ce travail s'appuie sur une démarche originale reposant sur une double évaluation, par élément et globale. Il s'agit (i) de configurer de manière optimale les caractéristiques immersives et interactives du simulateur liées au mouvement de roulis afin de produire une illusion d'inclinaison crédible et acceptée, et (ii) d'évaluer, de manière globale, différentes configurations du simulateur (modèles dynamiques de véhicule) au moyen de mesures objectives (temps de familiarisation) et subjectives (présence, mal du simulateur).Prises dans leur ensemble, les sept études menées durant cette thèse ont permis de valider une plage de restitution du mouvement de roulis pertinente pour produire une sensation d'inclinaison sans entraîner de déséquilibre critique ou de sensation de chute. Un angle d'inclinaison du simulateur au-delà de 11,4 degrés est ainsi déconseillé pour éviter toute sensation de chute, néanmoins cette valeur est susceptible d'être influencée par divers facteurs (e.g., présence d'informations visuelles, positionnement de l'axe de roulis). Ces études ont également permis d'identifier, en conduite passive, les paramètres nécessaires ainsi que les contributions relatives des informations visuelle et inertielle pour la production d'une sensation d'inclinaison crédible. En conduite active, l'évaluation du degré de contrôle des participants en fonction du modèle dynamique de véhicule (virtuel) a permis de pointer les faiblesses actuelles du simulateur IFSTTAR afin de proposer plusieurs pistes de développement.

Les véhicules modernes sont de plus en plus équipés de nouveaux organes visant à améliorer la sécurité des occupants. Ces nouveaux systèmes sont souvent des organes actifs utilisant des données de capteurs sur le véhicule. Cependant, en cas de mauvais fonctionnement d'un capteur, les conséquences pour le véhicule peuvent être dramatiques. Afin de garantir la sécurité dans le véhicule, des nouvelles méthodologies de détections de défauts adaptées pour les véhicules sont proposées. Les méthodologies présentées sont étendues de la méthode de l'espace de parité pour les systèmes à paramètres variant (LPV). En outre, la transformation du problème de détection de défauts pour la détection de situations critiques est également proposée. Des résultats applicatifs réalisés sur un véhicule réel dans le cadre du projet INOVE illustrent les performances des détections de défauts et la détection de perte de stabilité du véhicule.

Les systèmes actifs d'aide à la conduite des véhicules automobiles ont besoin d'informations sur l'état du véhicule pour construire des stratégies de contrôle efficaces. L'objectif de cette thèse est de développer des observateurs à entrées inconnues qui permettent d'estimer différentes variables liées à l'état du véhicule et de son environnement. Après avoir présenté différentes modélisations du véhicule, différents observateurs d'état à entrées inconnues de systèmes linéaires et non linéaires sont exposés afin d'estimer des variables explicatives de la dynamique du véhicule.