Modélisation et simulation dynamique d'un véhicule urbain innovant en utilisant le formalisme de la robotique

Robotics modelling and tilting control of an innovative urban vehicle

• Auteur / Autrice : Salim Maakaroun
• Direction : Philippe Chevrel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique
• Date : Soutenance le 02/12/2011
• Etablissement(s) : Nantes, Ecole des Mines
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et mathématiques (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en communications et cybernétique (Nantes) (1958-2017) - Institut de Recherche en Communications et en Cybernétique de Nantes / IRCCyN
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Chevrel, Brigitte d' Andréa-Novel, Wisama Khalil, Maxime Gautier, Pierre-Olivier Vandanjon, Thomas Arvieu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Basset, Kouider Nacer M'Sirdi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robots mobiles

Simulation, Méthodes de

Transports urbains

Mots clés libres

Modélisation

Simulation

Véhicule urbain inclinable

Formalisme de Denavit et Hartenberg modifié

Robot mobile

Modeling

Simulation

Urban tilting vehicle

Modified Denavit et Hartenberg formalism

Mobile robot

Résumé

La modélisation et la simulation numérique sont des outils fondamentaux pour la conception et le développement de nouveaux véhicules. Les travaux de cette thèse portent sur la modélisation et la simulation d’un véhicule innovant, étroit et inclinable, en appliquant une description systématique et générique du véhicule considéré comme un robot dont la base est mobile et les roues sont les organes terminaux. Le système d’inclinaison motorisé entraîne une cinématique complexe et comporte des chaines fermées. Le but du travail est de construire un modèle physique précis, au contraire des modèles simplifiés de type bicyclette ou quart de véhicule utilisés habituellement pour l’étude de la commande des véhicules. L’approche procède à la description de l’architecture mécanique du véhicule, le considérant comme un système multi-corps poly-articulés, s’appuyant sur le formalisme de la robotique et précisément sur la représentation géométrique de Denavit-Hartenberg modifié. Cette approche permet de calculer automatiquement les expressions symboliques des modèles géométriques, cinématiques et dynamiques des structures simples et arborescentes. Les modèles qui en résultent comportent un nombre minimum d’opérations par la mise à profit du calcul symbolique itératif et des techniques de simplification de modèles propres à la robotique. Ces techniques sont implémentées dans le logiciel de calcul symbolique SYMORO+. Le modèle dynamique est calculé d’une manière récursive à l’aide de l’algorithme de Newton-Euler. La simulation dynamique utilise un simulateur édité sous Matlab/Simulink qui intègre le modèle dynamique direct calculé automatiquement à partir du modèle inverse. Des simulations réalisées sur des modèles de complexité croissante, pour des scénarios de freinage ou d’accélération, en ligne droite ou en virage, valident la méthodologie de modélisation mécanique proposée.

Modeling and simulating are fundamental tools to develop new vehicles. The aim of this thesis is to model and simulate a urban narrow tilting car whose structure contains closed mechanical chains. Hence the goal is to build a physical model more precise and realistic than the bicycle model or quarter vehicle model used usually for some control purposes. The modeling approach is based on the modified Denavit&Hartenberg description, commonly used in robotics, by considering the vehicle as a multi-body poly-articulated system whose the terminal links are the wheels. This description allows calculating automatically the symbolic expression of the geometric, kinematic and dynamic models, by using robotics techniques and a symbolic software package named SYMORO+. The dynamic model is calculated recursively thanks to the Newton-Euler algorithm. Simulations of different dynamical model of vehicles have been performed, analyzed and compared. They validate in some sense the modeling methodology presented as an efficient way to get realistic model of non-standard vehicles.