Le crissement est un bruit strident fréquemment produit par les systèmes de freinage de tous les types de modes de transport (automobile, aéronautique, ferroviaire,...). Dans le domaine ferroviaire, les niveaux acoustiques liés au crissement peuvent dépasser les 110 dB à un mètre du bord du quai. Ceci constitue non seulement un inconfort, mais aussi un risque pour la santé des clients et du personnel en gare. De précédents travaux ont identifié les garnitures de frein comme levier potentiel pour diminuer le crissement. Le projet AcouFren, mené par la SNCF, vise à développer des outils d'aide à la conception et à la spécification de garnitures de frein ferroviaire peu crissantes. Cette thèse s'inscrit dans ce projet et propose une étude numérique et expérimentale du crissement des freins à disque ferroviaires et plus particulièrement de TGV. Elle comporte une partie expérimentale et des développements numériques visant à obtenir des simulations numériques fiables et rapides du crissement. L'étude expérimentale permet de montrer la richesse des phénomènes de crissement pouvant survenir lors d'un freinage et de montrer les écarts et les ressemblances qu'il peut y avoir entre un freinage d'arrêt et un freinage de maintien. À partir de ces constats, les attentes vis-à-vis de la modélisation numérique proposée sont données : il s'agit de pouvoir reproduire les phénomènes présents dans les freinages de maintien. Afin d'estimer les niveaux vibratoires, le choix d'une simulation temporelle non-linéaire transitoire et stationnaire est fait. Une fois la modélisation numérique choisie, une méthode de résolution fondée sur un lagrangien augmenté est mise en œuvre. Des paramètres de la méthode optimisés sont proposés et permettent de réduire significativement les coûts de calcul. Le temps nécessaire à des simulations de dynamique non-linéaire transitoire reste toutefois prohibitif sans réduction. Une proposition de réduction de Ritz utilisant les modes complexes du système est proposée. Cette approche est testée sur un modèle académique simple afin de pouvoir quantifier l'effet d'une réduction sur un modèle nonlinéaire déstabilisé par le frottement. Si la réduction est possible, de nombreux phénomènes qu'elle induit sont mis en évidence. Les seules bases de réduction permettant une reproduction fidèle du comportement dynamique non- linéaire transitoire et stationnaire du système sont celles comportant l'ensemble des modes complexes dans une gamme de fréquence ainsi que les modes statiques d'interface. Enfin, la stratégie numérique complète est testée sur un modèle simplifié de frein TGV. La méthode de réduction proposée permet de gagner un facteur 6 en temps de calcul par rapport au modèle non réduit. La confrontation à l'expérience montre un accord satisfaisant avec la simulation : les fréquences émergentes et les niveaux vibratoires sont correctement approchés.

L’occurrence en service commercial de fissures macroscopiques dans certains disques de frein TGV a pu être reliée au type de garniture utilisé. L’objectif de cette thèse est de comprendre cette relation, d’identifier les paramètres d’influence et de proposer des voies d’amélioration pour la conception de garnitures à risque de fissuration réduit. Le comportement thermique de quatre couples disque-garnitures est d’abord analysé par le biais d’une campagne expérimentale de freinage originale. Elle met en évidence différents types de localisations thermiques et permet d’identifier des signatures thermiques caractéristiques des garnitures. Le lien entre localisations thermiques et risques de fissuration est ensuite établi à l’aide d’une modélisation thermomécanique. Des indicateurs tenant compte des caractéristiques spatiales et temporelles des localisations thermiques ainsi que des niveaux de température atteints sont proposés. Ils permettent de classer les garnitures testées dans un graphe de « criticité ». Enfin, une étude d’influence des caractéristiques mécaniques et thermiques des garnitures sur les localisations engendrées permet de dégager des préconisations et des voies d’amélioration pour la conception de nouvelles garnitures. La caractérisation expérimentale du comportement de deux nouvelles garnitures, l’une s’approchant le plus des préconisations faites, l’autre s’en éloignant fortement, montre la pertinence de l’approche développée et la validité des préconisations / The occurrence of macroscopic cracks in some TGV brake discs in commercial service has been linked to the pad type used. The objective of this thesis is to understand this relationship, to identify sensitive parameters and to propose guidelines to the design of pads reducing the risk of cracking.The thermal behavior of four disc-pad couples is first analyzed through an original experimental campaign of braking. It highlights various types of thermal localisations and enables to identify thermal signatures characteristic of the various pads. The relationship between thermal localisation and risk of cracking is then determined using thermomechanical modeling. Some indicators taking into account spatial and temporal characteristics of thermal localisations and temperature levels achieved are proposed. They enable to classify the tested pads in a graph of "criticity". Finally, a study of the influence of mechanical and thermal properties of pads on the thermal localisations occurrence enables to propose guidelines and improving ways for the design of new pads. An experimental characterization of the behavior of two new pads, one very close to the given recommendations, the other strongly away from them, shows the relevance of the approach and the validity of the present recommendations

Dans les contacts fortement dissipatifs, la dissipation d'énergie par frottement conduit à des sollicitations thermiques très sévères qui peuvent avoir des répercussions conséquentes sur les performances, la durabilité des organes de friction, l'environnement ou la santé humaine. La connaissance des champs thermiques des surfaces de frottement est un enjeu de premier ordre. Dans le cas de mesures sans contact du rayonnement calorifique, elle s'avère difficile du fait de l'émissivité inconnue de ces surfaces, qui varie spatialement et temporellement lors du frottement. Les travaux ont concerné le développement d'une mesure de champs thermiques par thermographie bichromatique dont l'intérêt est d'accéder simultanément à la température et à l'émissivité de surface. Les difficultés résident dans le recalage spatial et temporel de deux imageurs infrarouges, la calibration en flux des caméras et la variation spectrale de l'émissivité. La technique développée a été appliquée à la mesure in situ des champs de température et d'émissivité d'un disque de frein pendant le freinage, et exploitée pour l'analyse des localisations thermiques induites par le frottement et de leurs interactions avec le circuit tribologique, tirant parti de la connaissance de l'évolution spatiale et temporelle de l'émissivité. / In highly dissipative contacts, the energy dissipated by friction leads to severe thermal loads which could have bad consequences on performances, on friction parts durability, on the environment or on human health. Therefore, knowledge of sliding surfaces thermal fields is a first-rate issue. Due to the lack of knowledge about the emissivity of those surfaces, which change both spatially and temporally during friction, measuring thermal fields is difficult. The work done concerned the development of thermal fields measurement by bispectral thermography, which allows to get simultaneously surface emissivity and temperature. The difficulties reside in the spatial and temporal images registration of two infrared cameras, in the camera flows calibration and in the spectral emissivity variation. The technique developed was applied to the in situ fields measurement of temperature and emissivity of a brake disc during braking. It was then used for analysis of thermal locations induced by friction and their interactions with the tribological circus, leveraging the knowledge of the spatial and temporal evolution of the emissivity.

Afin de comprendre les mécanismes d'usure et de frottement des composites carbone/carbone (C/C) utilisés en freinage aéronautique, un modèle numérique est utilisé pour dissocier les effets mécaniques des effets physico-chimiques et thermiques. Le modèle repose sur l'utilisation d'une approche par éléments finis et de techniques d'homogénéisation appliquées à un volume élémentaire représentatif (VER) du matériau à l'échelle mésoscopique frottant sur une surface rigide ou déformable. A cette échelle, le matériau est décrit par une matrice en carbone et des paquets de fibres de carbone appelés torons, perpendiculaires à la surface frottante. Pour assurer la représentativité de la structure du matériau, plusieurs modèles hétérogènes sont étudiés. Les résultats sont comparés à ceux obtenus avec le modèle homogène équivalent qui découle de l'homogénéisation. L'influence des conditions de contact (la rigidité), ainsi que l'influence de la distribution des torons proches de la surface frottante sur les régimes de vibrations des différents modèles sont mises en évidence. L'extension du modèle numérique à un contact entre deux composites a mis en évidence une forte augmentation des contraintes maximales localisées principales dans les torons présents à la surface frottante. Ces fortes localisations de contraintes peuvent avoir pour conséquence l'endommagement des torons ce qui induit la dégradation de la surface frottante jusqu'aux détachements de particules.

La traversée d’intersection constitue une tâche typique dans laquelle plusieurs affordances coexistent, l’une traduisant les possibilités de franchir l’intersection, l’autre traduisant les possibilités d’immobiliser le véhicule afin d’éviter une collision. En nous inspirant des travaux de Gibson et Crooks (1938), nous avons formalisé les affordances Field of Safe Travel (FST) et Minimum Stopping Zone (MSZ) en termes de temps critique pour réussir le franchissement d’intersection et l’immobilisation du véhicule, respectivement. Grâce à un dispositif de réalité virtuelle et un simulateur de conduite, nous avons testé la prise en compte de ces affordances par un agent engagé dans la tâche de référence à travers trois expérimentations. Les résultats, appuyés par notre modèle de prise de décision, montrent que le conducteur intègre non seulement l’affordance FST, mais aussi l’affordance MSZ, dans sa décision de franchir l’intersection. De plus, l’utilisation conjointe de ces deux affordances rend compte des régulations de vitesses produites par un agent devant réaliser la tâche de franchissement en présence d’un véhicule préprogrammée ou soumis au contrôle d’un autre agent. Ces différents résultats montrent que les agents prennent en compte les différentes possibilités qui leur sont offertes (affordances FST et MSZ) pour faire un choix adapté et réguler leur vitesse. / Crossing an intersection is a typical task in which several affordances coexist, one offering the possibilities to safely cross the intersection (the main goal) and another offering the possibilities to stop the driving car to avoid a collision (the alternative goal). Based on Gibson and Crooks’ works (1938), we formalized the so-called Field of Safe Travel (FST) and Minimum Stopping Zone (MSZ) affordances in terms of critical time for safe crossing and for safe stopping, respectively. Using a virtual reality set-up with a driving simulator, three experiments have been designed to test the role of these two affordances on the decision-making and the regulation of action process. Our results, supported by a model of decision-making, reveal that drivers rely not only on the FST affordance, but also on the MSZ affordance, to choose to cross-or-not the intersection. Moreover, the joint use of these affordances is still observed when drivers have to control their velocity to perform the task when either a vehicle with a computed kinematic or a car driven by another agent is approaching. Put together, these results show that drivers take into account several possibilities for action offered by the environment (FST and MSZ affordances) to make a suitable choice and to control their speed when approaching an intersection.

Pour répondre à l’augmentation du trafic aérien mondial et à l’amélioration de la sécurité sur les plateformes aéroportuaires, le secteur aéronautique développe de nouveaux systèmes permettant de tendre vers l’autonomie complète de l’avion pendant les phases de roulage au sol. Le thème de ce travail de thèse concerne l’automatisation du pilotage de l’avion au sol et le développement d’une architecture de commande multivariable permettant de superviser l’ensemble des systèmes impliqués dans ce mode de déplacement : les systèmes de motorisation et de freinage des roues principales et le système d’orientation du train avant. Après une modélisation détaillée de la dynamique du système et une analyse des problématiques induites par ses non-linéarités, une architecture de commande globale est proposée. L’asservissement de la dynamique angulaire des roues, pendant les phases d’accélération et de freinage, est assuré par une loi de commande linéaire robuste aux incertitudes, synthétisée à l’aide de la technique Q.F.T. Le pilotage de la dynamique latérale du véhicule est réalisé au moyen d’un correcteur hybride feedforward-feedback. Une commande modale au premier ordre est alors mise en oeuvre afin de synthétiser un régulateur non-linéaire par planification de gains (gain-scheduling). L’ensemble des boucles d’asservissement de l’architecture est finalement validé en réalisant un suivi automatique de trajectoire à l’aide d’une commande géométrique nommée follow the carrot. Les simulations représentatives de l’utilisation réelle de l’avion démontrent des performances satisfaisantes et permettent de valider l’ensemble des solutions proposées. / In the context of worldwide air traffic growth and airport security improvement, the main aeronautics actors are currently investigating new systems, strived for autonomously piloting the aircraft while taxiing ground-borne. The present thesis deals with aircraft taxiing control and the design of a multivariable control architecture aimed at supervising all the ground acting systems: driving and braking systems of main wheels and the nose landing gear steering system. A global control architecture is introduced after a detailed modelling of the system dynamics and an analysis of the issues induced by the nonlinearities. A linear Q.F.T controller is synthesised to ensure robust control against uncertainties of the wheel angular dynamics, in both driving and braking operations. The vehicle lateral dynamics is controlled by means of a feedforward-feedback hybrid controller. The latter includes a nonlinear gain-scheduled controller designed by a modal approach. All the architecture control loops are finally validated in a high level path following control, achieved with the “follow the carrot” geometric method. A set of representative simulations show the overall good performances and validate the whole proposed solution.

L'objectif principale de cette thèse est de développer contrôleurs innovants MIMO pour la dynamique véhicule tout en préservant la stabilité du véhicule dans les situations de conduite critiques. Des stratégies de commandes innovatrices ont été introduites pour résoudre cette problématiques. En effet, ces travaux se base sur travaux l'utilisation de la commande LPV/Hinf pour contrôler simultanément les actionneurs de freinage, braquage et de suspensions pour réaliser les objectives du contrôle.Aussi de stratégies d'estimation du profil de route très intéressant et qui peuvent apporter une solution industrielle très intéressante pour développer des contrôleurs qui assurent adaptative aux différentes conditions de route.Aussi des stratégies de commande tolérante aux défauts actionneurs ont été établi en exploitant les caractéristiques de la commande LPV pour compenser la perte de certains actionneurs (en sachant que la voiture est un système sur actionné). Des implémentations ont été effectuées sur des bancs de test et sur un véhicule réel pour prouver l'efficacité des stratégies. / The main issue of this thesis is to work out new Global Chassis MIMO controllers that enhance the overall dynamics of the vehicle while preserving the vehicle stability in critical driving situations. Many innovative strategies have been explored and finalized to deal with these problematics. Various solutions have been given to deal with the vehicle stability and performance objectives. Indeed, many works based on the LPV/Hinf approach have been developed to control simultaneously the braking, steering and suspension actuators. On the other hand, innovative road profile estimation strategies have been introduced and validated via experimental procedures, providing new cheap and easily implementable techniques to estimate the road profile characteristics. Then, the vehicle control is adapted, depending on the road roughness (since it influences greatly the behaviour and the stability of the car). Several fault tolerant control strategies have been also considered to handle the actuators failures while keeping the vehicle stability, safety and enhancing the dynamical behaviour of the car in dangerous and critical driving situations.The general content of this thesisis as follows :-PART I : Theoretical backgrounds and vehicle modeling.-PART II : Road adaptive control vehicle dynamics.-PART III : Global chassis control using several actuators.Also, during this thesis and using the previous works of the advisors and the thesis results, a Matlab ToolBox "Automotive" has been developed to provide a bench test for the different automotive control studies. Implementations on test beds and real vehicle are also achieved to prove the efficiency of the proposed strategies.

L'amélioration de l'efficacité énergétique est devenue aujourd'hui une nécessité dans tous les domaines techniques. La réduction de la consommation, et donc du bilan carbone, est placée parmi les priorités mondiales tel que le paquet énergie-climat 2020 de l'Union Européenne.Les systèmes ferroviaires font partie des plus grands consommateurs d'énergie. Des solutions électriques sont développées pour réduire les pertes dans ces systèmes, optimiser la consommation et donc réduire la facture énergétique globale. Étant donné la diversité de ces systèmes, deux catégories principales sont considérées. La première regroupe les lignes urbaines caractérisées par une électrification en mode DC et un trafic relativement dense. Dans ce cas, l'énergie de freinage brûlée dans les rhéostats des trains constitue une perte considérable. La solution proposée consiste à récupérer cette énergie à l'aide d'un DC micro-grid installé dans une station passager. Elle permettra une interaction avec son environnement non-ferroviaire comme par exemple réutiliser cette énergie pour charger des bus électriques hybrides stationnant à proximité. Ce micro-grid contient un premier convertisseur DC/DC qui récupère l’excès d'énergie de freinage d'un train et l'injecte dans un DC busbar. Un deuxième convertisseur DC/DC va ensuite la stocker dans un système de stockage hybride pour que le bus électrique puisse se charger une fois branché au DC busbar. Le micro-grid est relié au réseau par un onduleur réversible AC/DC de faible puissance. L'ensemble est géré localement par un système gestion de puissance. Une évaluation énergétique montre que cette solution est intéressante lorsqu’un investissement, station de charge, est nécessaire pour charger les bus. En plus, dans le cas du DC micro-grid, aucun contrat avec le fournisseur d’électricité n’est nécessaire. La stabilité du système est aussi étudiée et une commande de stabilisation, le backstepping, est appliquée. Ce nouveau concept d’une future station intelligente permettra au système ferroviaire de communiquer avec son environnement qui est en pleine évolution.La deuxième catégorie est constituée par les lignes régionales et les lignes à grandes vitesses fonctionnant en mode AC. Contrairement au cas précédent, l’excès d’énergie de freinage est renvoyé à travers les sous-stations d’alimentation. Par conséquence, une deuxième solution propose la réduction de la consommation totale par l’optimisation du profile de vitesse de chaque train et la synchronisation de la grille horaire. Ceci est réalisé à l’aide d’un algorithme d’évolution différentielle. Chaque profile de vitesse est découpé en zones auxquelles sont attribuées des paramètres de conduite. L'optimisation de ces derniers permet de générer un nouveau profile de conduite optimal. Les résultats montrent la possibilité de faire des économies d’énergie tout en respectant la ponctualité des trains. / Increasing energy efficiency is nowadays a requirement in all technical fields. The reduction of global consumption, thus carbon footprint, has become the world's priority, as for example, the climate and energy package of the European Union.Railways' share of energy consumption is one of the highest. Electrical solutions are developed in order to reduce these systems' losses, optimize their consumption and reduce global energy bill. Given their diversity, two main categories are considered in this study. The first one consists of urban lines that are characterized by a DC electrification and a relatively dense traffic. In this case, braking energy burned in trains' rheostats represents the main share of losses. The proposed solution is to recuperate this energy using a DC micro-grid implemented in a passengers' station. It allows an interaction with the non-railway electrical environment, for example, re-using this energy in charging electric hybrid buses parked nearby. The excess of braking energy is recuperated using a DC/DC converter and injected into a DC busbar. A second DC/DC converter will store it in a hybrid storage system. It will then serve to charge the buses connected to the DC busbar. The micro-grid is also connected to the grid using a low power AC/DC converter. A power management system ensures optimizing power flow between different components. An energy evaluation showed that this solution is a good Investment especially because no contract is needed with the energy provider. The system's stability is studied and a stabilizing command, the backstepping, is applied. This new smart station allows railways to communicate, energetically, with its evolving environment.The second category is suburban and high speed lines that are AC electrified. Contrarily to the previous case, braking energy is reinjected to the upper grid through substations. Therefore, a second solution is to reduce global energy consumption by optimizing trains' speed profiles and timetable's synchronization. It is done using a differential evolution algorithm. Each speed profile is divided into zones to which are associated driving parameters. The optimization of the latter allowed generating new optimal speed profiles and a less-consuming timetable. Simulation results showed that it is possible to make important energy savings while respecting train's punctuality.

Le problème étudié dans le cadre de cette thèse porte essentiellement sur l'étape de détection de défaut dans un processus de diagnostic industriel. Ces travaux sont motivés par la surveillance de deux sous-systèmes complexes d'un autobus impactant la disponibilité des véhicules et leurs coûts de maintenance : le système de freinage et celui des portes. Cette thèse décrit plusieurs outils dédiés au suivi de fonctionnement de ces deux systèmes. On choisit une approche de diagnostic par reconnaissance des formes qui s'appuie sur l'analyse de données collectées en exploitation à partir d'une nouvelle architecture télématique embarquée dans les autobus. Les méthodes proposées dans ces travaux de thèse permettent de détecter un changement structurel dans un flux de données traité séquentiellement, et intègrent des connaissances disponibles sur les systèmes surveillés. Le détecteur appliqué aux freins s'appuie sur les variables de sortie (liées au freinage) d'un modèle physique dynamique du véhicule qui est validé expérimentalement dans le cadre de nos travaux. L'étape de détection est ensuite réalisée par des cartes de contrôle multivariées à partir de données multidimensionnelles. La stratégie de détection pour l'étude du système porte traite directement les données collectées par des capteurs embarqués pendant des cycles d'ouverture et de fermeture, sans modèle physique a priori. On propose un test séquentiel à base d'hypothèses alimenté par un modèle génératif pour représenter les données fonctionnelles. Ce modèle de régression permet de segmenter des courbes multidimensionnelles en plusieurs régimes. Les paramètres de ce modèle sont estimés par un algorithme de type EM dans un mode semi-supervisé. Les résultats obtenus à partir de données réelles et simulées ont permis de mettre en évidence l'efficacité des méthodes proposées aussi bien pour l'étude des freins que celle des portes

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.