OBSERVATEURS POUR L‘ESTIMATION DES ETATS DYNAMIQUE D’UN VEHICULE - application/pdf

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE D’ORANMOHAMED BOUDIAF
Faculté de Génie Electrique
Département d’Automatique
Mémoire
Pour l’obtention du diplôme de Magister
Option: Automatique
OBSERVATEURS POUR L‘ESTIMATION DES ETATS
DYNAMIQUE D’UN VEHICULE
Présenté par
BENYAMINA Mokhtar
Soutenue le : 23 /09 / 2014
Membres du jury :
Président
Mr BOUHAMIDA Mohamed
Pr-USTO
Encadreur
K. ZEMALACHE MEGUENNI
M.C.A-USTO
Examinateurs :
OMARI Abdelhafid
Pr-USTO
Z. AHMED FOUATIH
Pr- USTO
HOCINE Rachida
M.C.A- USTO
2013-2014

Résumé
Le travail présenté dans ce mémoire entre dans le cadre de développement des systèmes
avancés d’aide à la conduite. Cette thèse est consacrée à l’estimation des états dynamiques du
véhicule, on utilisant des observateurs.
Après avoir présenté les principales études menées par les chercheurs dans le domaine,
le système véhicule a fait l’objet d’une description détaillée et d’une modélisation par un
ensemble d’équations non linéaires aux dérivées ordinaires. Ensuite, nous avons donné les
notions de base d’observabilité et présenté le filtre de kalman étendu et le filtre de kalman
unscented, ensuite, nous avons appliqué le filtre de kalman étendu (EKF) sur le modèle non
linéaire du véhicule, les résultats obtenus sont comparés à ceux obtenus par l’application du
filtre de kalman unscented (UKF) sur le modèle non linéaire. Enfin, une comparaison entre les
résultats de ces observateurs a été présentée.
Mots-clés: véhicule, Modélisation, Aérodynamique, Estimation, état dynamique, Filtres de
Kalman.
Abstract :
The work presented in this memory enters the frameset of development of the advanced
systems of aid to control. This thesis is devoted to the estimate of the dynamic states of the
vehicle, by the use of the observers.
After having presented the principal studies undertaken by the researchers in the field,
the vehicle system was the subject of a detailed definition and a modeling by a unit of nonlinear
equations to the derivative ordinary. Then, we gave the basic concepts of observability and
presented the extended kalman filter and the unscented kalman filter, then, we applied the
extended kalman filter (EKF) to the nonlinear model of the vehicle, the results obtained are
compared with those obtained by the application program of the unscented kalman filter (UKF)
on the nonlinear model. Lastly, a comparison between the results of these observers was
presented.
Key words: vehicle, Modélisation, Aérodynamique, Estimation, dynamic state, kalman filters.

Table des matières
Table des matières
Remerciements
Glossaire
Table des figures
Introduction général …………………………………………………………………………
02
CHAPITRE I
HISTORIQUE ET ETAT DE L’ART
1.1
Généralité sur la dynamique du véhicule ……………………………...……….………….
05
1.2
Eléments de dynamique du véhicule ………………………………………………………
06
1.2.1
Les pneumatiques………………………………………………..………………..
06
1.2.2
Essieux et trains roulant………………………….……………………………….
07
1.2.3
Suspension………………………………………………………………………..
09
1.2.4
Châssis……………………………………………………………………………
10
1.3
Historique et état de l’art ……………………………..……………………………….......
11
1.4
Les études liées à l’estimation des paramètres d’un véhicule …………………………….
12
1.5
Les modèles de véhicule …………………………………………..…….…………………
13
1.5.1
Les modèles à une roue : Le modèle quart de véhicule ….……………………..
13
1.5.2
Les modèles à deux roues …………….…………………….……………………
14
1.3.3
Les modèles à quatre roues ……………………………………………………...
16
1.6
Conclusion……………………………………..…………………..……………………….
16
CHAPITRE II
MODELISATION DU VEHICULE
2.1
Introduction…………………………………………………………...……………………
18
2.2
Mouvements du véhicule ……………………………………………………..……………
18

Table des matières
2.2.1
Eléments du véhicule………………………………………………..……………
20
2.2.2
Définition des repères utilisés…………………………………………………….
20
2.2.2.1
Le repère sol (absolu) …………………………………………………
20
2.2.2.2
Le repère véhicule ………………………………………...…………..
20
2.2.2.3
Les repères liés aux pneumatiques Rpi et Rcri ………………………..
20
2.2.2.4
Le repère lié à la caisse ……………..…………………………………
20
2.2.3
Relations de passage d’un repère à un autre ……………………………………..
21
2.2.3.1
Passage du repère sol au repère véhicule ……..……………………….
21
2.2.3.2
Passage du repère véhicule au repère caisse …………………………..
23
2.3
Modélisation du véhicule …………………….……………………………………………
25
2.3.1
principes fondamentaux de la dynamique …………………………………………
25
2.3.1.1
Le premier principe …………………………………………………...
25
2.3.1.2
Le deuxième principe (Équations des moments)………………………
25
2.3.2
Calcule du moment dynamique ………………...………………………….………
26
2.3.3
Expression de l’accélération …………………………………….….…………….
26
2.3.4
modèle de braquage ………………...………………………………………….....
27
2.3.5
forces extérieurs agissant sur le véhicule …………………………………….........
28
2.3.5.1
Forces de résistance au roulement …………………………………….
28
2.3.5.2
Forces aérodynamiques …………………...………….……………….
28
2.3.5.3
Forces verticales ……………...……………………………………….
29
2.3.5.4
Forces de contact pneumatique chaussée …………………….……….
29
2.3.6
les glissements longitudinaux et transversaux ………………………………….….
33
2.3.6.1
Glissements longitudinaux ….………………………….………………
33
2.3.6.2
Glissements transversaux (angles de dérive) ………………………..…
37
2.3.7
Angle de carrossage ……………………………..…………………………………
38
2.3.8
Moment de la caisse suspendue et moment de lacet ………………………….…
39
2.3.8.1
Moment de roulis……………………………………………………….
39
2.3.8.2
Moment de tangage………..……………………………………………
40
2.3.8.3
Moment de lacet…………………….…………………………………..
41
2.3.9
modélisation de la suspension ……………………………………………………
42
2.3.10
Bilan des forces………….………………………………………………………..
43
2.4
modèles simplifiés du véhicule ……………………………………..….....…………........
43
2.4.1
Modèle non linéaire à quatre roues ………………………………....………….......
44
2.4.2
Modèle linéaire type Bicyclette ………………………………….....………….......
45
2.5
Conclusion………………….………….....…………........…….….………….....…………
48
CHAPITRE III
OBSERVABILITE ET OBSERVATEURS
3.1
Introduction…………………….……….....…………........…….…..………….....……….
50
3.2
Stabilité des systèmes dynamiques: ……........………...…………...……………....……...
50
3.2.1
Définition de stabilité........…….………….....………………...…….......................
51

Table des matières
3.2.2
Définition de stabilité uniforme. …….…………....…...............................…….….
51
3.2.3
Définition de l’attractivité …….………….....…………………………………......
51
3.2.4
Définition de stabilité asymptotique…….………….....……………………….…...
51
3.2.5
Définition de stabilité exponentielle…….…………....………………..…..…….....
51
3.2.6
Définition d’une fonction propre définie positive…….………….....……..…….....
51
3.2.7
Définition de fonction de Lyapunov…….………….....……………..………….....
51
3.3
Observateurs d’état ………….….………….....……………….................………….….....
52
3.3.1
Définition d’un observateur ….………….....……………….................……..……
52
3.3.2
Observabilité d’un système dynamique …........….………….....……..…….…..….
53
3.3.3
Critère d’observabilité ........…….………….....………...………….………………
54
3.4
Etat de l’art sur les observateurs des systèmes non linéaires …………..………….………
55
3.5
Filtre de Kalman standard………………………………………………………………….
56
3.6
Filtre de Kalman étendu……………………………………………………………………
57
3.7
Filtre de kalman sans biais (unscented)…………………………………………………….
58
3.8
Conclusion….....…….………….....………...………………………………………….......
61
CHAPITRE IV
ESTIMATION DES ETATS
DU VEHICULE
4.1
Introduction…........…….………….....………...……………………………………….
63
4.2
Estimation des variables d’états du véhicule ..…….…………………………………...
64
4.2.1
Résultats de simulation du modèle de véhicule sans observateurs …………………
64
4.2.2
Estimation des variables d’états par filtre de Kalman Etendu………………….........
66
4.2.3
Résultats de simulation ……………………………….…………………………..
67
4.2.4
Estimation des variables d’états par filtre de Kalman sans biais(unscented) … ..…….
76
4.2.5
Résultats de simulation ……………………………….…………………………..
78
4.3
Comparaison entre les deux filtres de kalman (étendue et unscented) ……………..……
84
4.5
Conclusion…........…….………….....………...…………………………………………
95
Conclusion général…………………………………………………………………
97
Annexe …………………………………………………………………………………
99
Bibliographie…………………………………………………………………………
101