Modélisation, conception et prototypage d’un véhicule tout-terrain capable de se déplacer à haute vitesse en milieu accidenté en toute sécurité

Modelling, design and prototyping of an all-terrain vehicle capable of travelling at high speed in rough terrain in complete safety

• Auteur / Autrice : Denis N'chot
• Direction : Jean-Christophe Fauroux, Roland Lenain, Philippe Vaslin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Image, système de perception, robotique
• Date : Soutenance le 05/10/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Faïz Ben Amar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lama Al Bassit, Mathieu Richier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Renaud, Manuel Paredes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ressorts et suspension

Robots mobiles

Mots clés libres

Robot tout-Terrain rapide à roues

Franchissement d'obstacles

Suspension semi-Active à amortissement longitudinal

Contrôle d'attitude en tangage

Expérimentation en phase balistique

Modélisation et commande dynamique

Fast all-Terrain wheeled mobile robot

Obstacle crossing

Semi-Active suspension with longitudinal damping

Pitch attitude control

Experimentation in balistic phase

Dynamic modelling and control

Résumé

La plupart des robots terrestre à roues évoluent à faible vitesse afin de limiter les effets dynamiques générés par un déplacement à haute vitesse (supérieure à 10 m/s) sur un terrain irrégulier. Cependant, pour certaines applications, il est indispensable de disposer d'un véhicule robotisé à roues capable de se déplacer rapidement en terrain accidenté : intervention rapide en milieu agricole, en forêt, sur un aéroport ou une zone sinistrée. Ce domaine peu exploré relève de la problématique générale du maintien de la stabilité et de l'intégrité d'un véhicule tout-terrain robotisé lorsqu'il doit franchir un obstacle à grande vitesse sur un sol irrégulier. À vitesse élevée, les efforts générés lors des chocs contre les obstacles rencontrés sont du même ordre de grandeur dans les directions longitudinale et verticale. Grâce à ses degrés de liberté dans ces deux directions, la suspension innovante Susp-4D permet d'amortir les deux composantes de la force d'impact entre les roues et un obstacle. La première partie de la thèse porte sur l'optimisation des paramètres de la suspension Susp-4D en commençant par l'étude du comportement cinématique et cinétostatique de ce mécanisme, puis en comparant deux configurations intéressantes de Susp-4D en vue de choisir la plus adaptée aux franchissements à haute vitesse. Cette configuration a été validée par des données expérimentales obtenues avec un véhicule équipé de Susp-4D. Une version semi-active de Susp-4D a ensuite été proposée en vue de contrôler l'amortissement des suspensions longitudinales en utilisant un dispositif de réglage du coefficient d'amortissement sur deux niveaux : faible ou élevé. Ce dispositif a été dimensionné et intégré à l'échelle du prototype du robot VS-FROG. Grâce à un plan d'expérience, nous avons pu qualifier le franchissement d'obstacles en simulation par la variation d'énergie cinétique totale du véhicule, grandeur qui a été reliée au coefficient d'amortissement et au couple moteur.Cependant, quelles que soient les solutions envisagées pour améliorer le franchissement d'obstacles, le véhicule peut décoller du sol. Dans cette éventualité, des travaux précédents ont montré qu'il était théoriquement possible de contrôler le tangage d'un véhicule en phase balistique afin de sécuriser son atterrissage et lui permettre de poursuivre sa mission. La seconde partie de la thèse traite le problème du franchissement d'obstacles à haute vitesse comme un problème d'optimisation multi-objectifs sous contraintes en vue (i) de contrôler de manière optimale le coefficient d'amortissement et le couple moteur lors du franchissement - dans le but de minimiser la variation d'énergie cinétique totale - et (ii) de faciliter le contrôle d'attitude (angle et vitesse de tangage) du robot en phase balistique. La première stratégie a été validée en simulation grâce à un contrôleur prédictif qui a permis de minimiser la perte d'énergie cinétique et la vitesse de tangage du robot pour des hauteurs d'obstacles inférieures ou égales au rayon des roues. Une seconde stratégie a été développée pour permettre au robot d'atterrir sur ses roues après une phase balistique ; cette stratégie repose sur un modèle analytique basé sur le principe de conservation du moment cinétique de VS-FROG en phase aérienne. Ce modèle établit la relation entre la vitesse de rotation des roues et la vitesse de tangage du robot, et permet de contrôler le tangage du châssis en phase balistique, uniquement en accélérant ou en freinant les roues. Une loi de commande par backstepping a permis de relier le couple moteur à l'angle de tangage désiré et à la vitesse de tangage du châssis. Dans tous les cas étudiés en simulation, le couple généré a permis de contrôler l'attitude du véhicule et d'atteindre l'angle désiré avant que le véhicule ne retombe au sol, sur ses roues arrière, ou avant, ou à plat.

Most of wheeled mobile robots move at a low speed in order to avoid dynamic effects created by a high-speed displacement (over 10 m/s) on an uneven ground. However, for some applications, it is essential to dispose of a robotic wheeled vehicle able to move rapidly on a rugged terrain: rapid intervention in agricultural environment, in forestry, on airports or disaster zones. This seldom investigated field deals with the general issue of keeping the stability and the integrity of an all-terrain robotic vehicle when it has to cross an obstacle at high speed on an uneven ground.At high speed, the efforts created by shocks against obstacles are of the same order of magnitude in the longitudinal and the vertical direction. Thanks to its degrees of freedom in both these directions, the innovative suspension Susp-4D is able to damp both components of the impact force between wheels and the obstacle. The first part of this thesis deals with the optimisation of the innovative suspension Susp-4D parameters, starting with the study of the kinematic and kinetostatic behaviour of this mechanism, and then comparing two interesting configurations of Susp-4D in order to select the most convenient one for crossings at high speed. This configuration has been validated by experimental data obtained with a vehicle equipped with Susp-4D. A semi-active version of Susp-4D has been then proposed in order to control longitudinal suspensions damping using an adjusting device of the damping coefficient at two levels: low or high. This device has been dimensioned and mounted on the robotic prototype VS-FROG. Using a Design of Experiment, we could qualify obstacle-crossing in simulation by the vehicle total kinetic energy variation, which has been related to the damping coefficient and the motor torque.However, whatever the foreseen solutions for improving obstacle-crossing, the vehicle could take off the ground. In this case, former studies have shown that it was theoretically possible to control the pitch of a vehicle during a ballistic phase in order to secure its landing and to allow it to complete its mission. The second part of this thesis deals with obstacle-crossing at high speed as a multi-objective optimisation problem under constraints in order (i) to optimally control the damping coefficient and the motor torque during crossing - in the aim of minimising the total kinetic energy variation - and (ii) to ease the control of the robot attitude (pitch angle and pitch velocity) in ballistic phase. The first strategy has been validated in simulation using a predictive controller that allowed minimizing the kinetic energy loss and the pitching velocity of the robot for obstacle heights smaller than or equal to a wheel radius. A second strategy has been developed to allow the robot to land on its wheels after a ballistic phase; this strategy relies on an analytical model based on the principle of VS-FROG angular momentum conservation in ballistic phase. This model sets the relation between wheels angular velocity and the robot pitching velocity, and allows controlling the vehicle pitch angle in ballistic phase, by only accelerating or breaking the wheels. A backstepping control law allowed relating the motor torque to the wished pitch angle and to the vehicle pitching velocity. In all the cases studied in simulation, the generated torque allowed controlling the vehicle attitude and reaching the wished angle before the robot lands on the ground, either on its rear or front wheels, or flat.