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Thèse Présentée à L’Université d’Evry-Val d’Essonne Par Kamel MESSAOUDENE En vu

Thèse Présentée à L’Université d’Evry-Val d’Essonne Par Kamel MESSAOUDENE En vue de l’obtention du titre : « Docteur de l’Université d’Evry-Val d’Essonne » Spécialité : Automatique – Robotique Thèse soutenue le 1 Juillet 2011. Jury : A. Pruski Professeur, UFR, Metz. Rapporteur N. M’sirdi Professeur, LSIS, Marseille. Rapporteur J.C. Popieul Professeur, LAMIH, Valenciennes. Examinateur M. Basset Professeur, MIPS, Mulhouse. Examinateur F. Dupin Ingénieur de recherche, IFFSTAR. Examinateur N. Ait Oufroukh Maître de conférences, IBISC, Evry. Encadrant S. Mammar Professeur, IBISC, Evry. Directeur Dispositif Innovant de Frein Automobile par le Volant, Intégré à un Système de Direction Type Steer-by-Wire « Dédié aux Personnes Paraplégiques » Table des Matières Introduction Générale ………………………………………………………………………………………………………….… 1 I - Etat de l’art : Handicap & Conduite Automobile I-1 Introduction ………………………………………………………………………………………………………………………. 6 I-2 La tâche de la conduite automobile ………………………...………………………………………………………… 7 I-3 Aptitude à la conduite pour les personnes à mobilité réduite ………………..………………………... 9 I-3-1 Nécessité de l’évaluation écologique de la conduite ………………...………………………..………. 10 I-3-2 Le retentissement du vieillissement sur la conduite automobile ……………..………………... 10 I-3-3 Le contrôle médical ……………………………..…………………………………….……………………………..…. 11 I-3-4 Aides techniques et législation …………………………….……………………..………………………………. 11 I-3-5 Les modalités de financement des adaptations …………………………………..……........................... 12 I-4 Adaptation de véhicules pour les personnes à mobilité réduite …………………………………….. 13 I-4-1 Adaptation de véhicules pour l’aide à la conduite ….……………….. …………………………...……14 I-4-1-1 Déficience d'un ou deux membres supérieurs ………………………………………………………. 14 I-4-1-2 Déficience d'un ou deux membres inférieurs ………...…………………………...…………………. 20 I-4-1-3 Déficience des quatre membres « Tétraplégie » ………...………………………………………..… 28 I-4-2 Adaptation de véhicules pour l’aide à l’accessibilité ………….…………….. …………………….… 30 I-4-2-1 Accessibilité par élévateur …………………………………………………………………………………...… 31 I-4-2-2 Accessibilité par rampes …………………………………………………………………………………………. 33 I-4-3 Adaptation de véhicules pour l’aide au transfert ………………………………………………………. 34 I-4-4 Adaptation de véhicule pour l’aide au chargement du fauteuil roulant ………………….. 37 I-5 Conclusion ……………………………………………………………………………………………………………………..… 40 II - Etude Théorique du Dispositif Proposé : Concept & Modélisation II-1 Introduction ...…………………………………………………………………………………………………………………. 42 II-2 Description du dispositif proposé « Frein par le Volant » …………………………………………….. 44 II-3 Modélisation du comportement dynamique du buste en situation de conduite ….............. 48 T T Ta a ab b bl l le e e d d de e es s s M M Ma a at t ti i iè è èr r re e es s s Table des Matières II-3-1 Détermination de l’accélération du centre de gravité du buste ……………………..…………. 50 II-3-2 Détermination de la force exercée sur le volant en situation de conduite ……………....... 51 II-3-3 Résultats de simulation ……………………………………………………………………………………………... 54 II-4 Validation expérimentale du modèle dynamique du buste ………………………………………..… 58 II-4-1 Véhicule instrumenté utilisé (Peugeot 307 SW du LIVIC)………………………………………… 58 II-4-2 Implémentation de capteurs sur le véhicule instrumenté ……………………………………...… 59 II-4-3 Résultats expérimentaux …………………………………………………………………………………………… 62 II-5 Création d’un retour d’effort freinage adaptable …...……………………………………………………… 65 II-5-1 Description du système d’Assistance au Freinage d’Urgence (AFU) ……….…………..….. 67 II-5-2 Modélisation du retour d’effort freinage …………….…………………………………………………….. 68 II-5-3 Résultats de simulation …………………………………………………………………………………………...… 71 II-6 Influence de la dynamique du véhicule sur le comportement du buste ………...…………….. 74 II-6-1 Modélisation de la dynamique longitudinale du véhicule ……………..……………………….... 75 II-6-1-1 Calcul des forces de suspension du véhicule ………………………….............................................. 77 II-6-1-2 Calcul des forces longitudinales …………...……………………………………………………………… 78 II-6-1-3 Description du contact pneu-chaussé ………………………………………………………………..... 79 II-6-1-3-1 Calcul du coefficient d’adhérence ………………...……………………………………………….… 79 II-6-1-3-2 Calcul du taux de glissement longitudinal ……………………...…………………………...…. 81 II-6-1-3-3 Effet de la pression de contact ………………………………………………..……………………..… 83 II-6-1-4 Mouvement de rotation de la roue ………..…………………………………………………………...… 83 II-6-1-5 Calcul des forces de résistance à l’avancement ……………...…………………………………….. 84 II-6-1-5-1 Les forces de résistance dues à la pente ……….……………………………………….…………. 85 II-6-1-5-2 Les forces de résistance au roulement …………….………………………………………………. 85 II-6-1-5-3 Les forces aérodynamiques …………….……………………………………………………………….. 87 II-6-1-6 Modélisation de la transmission ………………………………………………………………………….. 87 II-6-2 Résultats de simulation …….……………………………………………………………………………………….. 88 II-6-3 Validation expérimentale du modèle proposé ……….………………………………………………... 96 II-7 Conclusion ……………………………………………………………………………………………………………………. 100 III - Modélisation & Simulation d’un Système de Direction Filo-commandé III-1 Introduction ………………………………..……………………………………………………………………………….. 102 III-2 Evolution des systèmes de direction automobile …..………………………………………………….…104 III-2-1 Direction à assistance hydraulique ……………………………………………………………………...…. 104 III-2-2 Direction à assistance électrique ……………………………………………….……………………………. 105 III-3 Les avantages techniques de la technologie X-by-Wire ...……………………………………………. 107 III-4 Etat de l’art sur quelques prototypes munis de direction « Steer-by-Wire » …………….…112 III-4-1 Analyse et discussion ………………………………………………………………………………………………115 III-5 Architecture et fonctionnement de la direction filo-commandée …………………………..……116 III-6 Le freinage Electro-mécanique « Brake-by-Wire » …...……………………………………………….... 118 III-7 Modélisation d’un système de direction filo-commandé ………………………………………….... 120 III-7-1 Architectures et stratégies de lois de commandes d’un véhicule SBW …………………. 120 III-7-2 Dynamique d’une direction SBW à architecture simple …….………………………………….. 122 III-7-3 Dynamique d’une direction SBW à architecture combinée - Véhicule en mouvement ……………………………………………………………………………………...…..124 III-7-4 Modélisation des efforts extérieurs appliqués aux roues avant – Calcul du couple résultant sur l’axe de pivot (Véhicule en mouvement) …………….. 130 Table des Matières III-7-4-1 Calcul d’efforts échangés entre la Crémaillère et Roues ……..……………………………. 130 III-7-4-2 Moment dû à la poussée de carrossage induit par le roulis ………………...………….…133 III-7-4-3 Moment dû aux forces verticales appliquées sur les roues avant …..……………….... 138 III-7-4-4 Moment d’auto-alignement dû aux forces de glissement ou de dérive …...……..…140 III-7-5 Modélisation de la dynamique latérale du véhicule ….……………………………………………140 III-7-5-1 Comportement dynamique latéral des pneus ...………………………………………………… 141 III-7-5-1-1 Variation de la force latérale en fonction de l’angle de dérive d’un pneu …... 142 III-7-5-1-2 Influence du type chaussée sur l’adhérence des pneus ….………………………..……143 III-7-5-1-3 Modélisation du contact pneu-chaussée .…………………………………………………...… 144 III-7-5-2 Modèle de véhicule deux roues (bicyclette) ……………………………………........................... 146 III-7-5-3 Estimation de la vitesse latérale par Filtre de Kalman …..…………………………………. 149 III-7-5-3-1 Programmation et simulation du filtre de Kalman utilisé …………………………... 151 III-7-6 Dynamique d’une direction SBW à architecture combinée – Véhicule à l’arrêt …..... 152 III-7-6-1 Résultats de simulation du modèle dynamique proposé pour une direction SBW à architecture combinée – Véhicule à l’arrêt ……………………………………........................... 158 III-7-7 Simulation et Validation du modèle dynamique proposé pour une direction SBW à architecture combinée – Véhicule en mouvement …………….…………………………………163 III-8 Conclusion …...……………………………………………………………………………………………………………… 173 IV - Conception & Réalisation d’un Démonstrateur du Dispositif Proposé IV-1 Introduction …………………………………………………………………...………………………………………..……175 IV-2 Démarche et objectifs ...………………………………………………………………………………………………....176 IV-3 Cahier des charges & contraintes à respecter ……………………………………………………………... 177 IV-4 Proposition de solutions techniques……………………………………………………………………………..178 IV-4-1 Description de la première solution ….………………………………………………................................ 178 IV-4-1-1 Mécanisme du retour d’effort volant de la solution 1 ……...……………………………….. 179 IV-4-1-2 Mécanisme du retour d’effort freinage de la solution 1 ……...……………………………..182 IV-4-1-3 Architecture du bâti ………….………………………………………………………………………………. 183 IV-4-1-4 Fixation des servomoteurs ...……………………………………………………………………………….183 IV-4-2 Description de la deuxième solution……………………………………………………………………… 184 IV-4-2-1 Mécanisme du retour d’effort volant de la solution 2 …..………………………………….. 186 IV-4-2-2 Mécanisme du retour d’effort freinage de la solution 2 …………………………………… 189 IV-5 Démarche de validation numérique de la solution retenue ………………………………………..192 IV-6 Description des deux servomoteurs CC utilisés ...………………………………………………………. 194 IV-7 Réalisation d’un banc d’essai avec le démonstrateur ………………………………........................… 195 IV-8 Présentation des résultats expérimentaux sur le prototype …...………………………………….. 198 IV-8-1 Expérimentation sur le retour d’effort volant ….……………………………………………………. 198 IV-8-2 Expérimentation sur le retour d’effort freinage …………………………………………………….. 200 IV-9 Conclusion ……………………………………………………………………...…………………………………………... 207 Conclusion Générale ………………………………………………………………………………………………………….. 209 Annexe « A » ………………………………………………………………………………………………………………………... 213 Annexe « B » ………………………………………………………………………………………………………………………... 216 Bibliographie ……………………………………………………………………….……………..................................................... 220 1 Depuis deux siècles, le monde du handicap est un objet d'étude pour les chercheurs en Sciences Sociales et plus singulièrement, ces dernières années, de nombreux travaux ont été publiés. L'étude théorique des personnes en situation de handicap trouve essentiellement son origine dans trois disciplines scientifiques : la médecine avec l'essor de l'anatomie, de la neurologie et de la théorie des germes, la sociologie et la psychologie avec les statistiques, sans oublier la demande des organismes d'assurance sociale en vue de déterminer ceux qui sont susceptibles de bénéficier de leurs prestations [1]. La loi du 11 février 2005 a suscité un ensemble de débats qui sont en passe de changer le regard que nous portons sur le handicap. La notion de handicap, longtemps synonyme de déficience, prend dorénavant en compte le rôle des facteurs environnementaux : matériels et sociaux. Ces facteurs d’ordre matériel incluent pour une grande part l’ensemble des aides techniques destinées à renforcer l’autonomie d’une personne ayant une déficience physique [2]. La tendance actuelle des chercheurs et des industriels étant de se pencher plutôt sur l'aspect des compensations physiques du handicap, permettant de retrouver l’accès à la conduite automobile. Notre ambition majeure s'inscrit donc dans les efforts actuellement menés par différents secteurs de la recherche, que se soit par des laboratoires universitaires ou par les constructeurs automobiles et équipementiers. L’objectif commun étant de mettre en œuvre de nouvelles solutions techniques capables de pallier à ces situations de handicap, notamment pour l’amélioration de l’accès à la conduite automobile, dont nous nous intéresserons particulièrement dans cette thèse. Soulignant que l'impact des adaptations techniques sur la tâche de la conduite automobile a été traité uniquement en termes de surcharge cognitive. Un tel point de vue suppose que leur usage est principalement limité par les capacités de traitement d'information, dont peuvent faire preuve les personnes valides ou à mobilité réduite. Un volet de recherches se dégage donc pour garantir un meilleur appariement entre les fonctionnements de ces aides techniques et les compétences des conducteurs, que se soit physiques ou cognitives. I I In n nt t tr r ro o od d du u uc c ct uploads/Management/ 2011evry0029.pdf