Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Estimation et contrôle de la dynamique d’un vélo pour l’amélioration de la sécurité et de la mobilité des cyclistes en interaction avec leur environnement

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - PICS-L  -  IMINE Hocine      tél. : +33 181668356

Directeur du laboratoire principal DUMONT Eric  -

Spécialité de la thèse Automatique, traitement du signal

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale MATHEMATIQUES ET SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L'INFORMATION ET DE LA COMMUNICATION (MSTIC)

Directeur de thèse prévu IMINE Hocine  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - PICS-L

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte : La sécurité et la mobilité des cyclistes en milieu urbain sont devenues des préoccupations croissantes à mesure que l'usage du vélo se généralise, notamment avec l'essor des vélos électriques. En ville, les cyclistes doivent souvent interagir avec des infrastructures variées (pistes cyclables, intersections, rond-points, …), des conditions routières fluctuantes (adhérence, obstacles, …) et l’interaction constante avec d'autres usagers de la route (piétons, véhicules motorisés, …) . Malgré les avantages indéniables du vélo comme moyen de transport écologique et sain, son utilisation présente des risques accrus d'accidents dus à l'instabilité inhérente de ce véhicule à deux roues et aux environnements complexes dans lesquels il évolue. La mobilité des cyclistes est un enjeu majeur dans la conception d’infrastructures modernes et durables. Dans le cadre de l’amélioration de la sécurité et de la fluidité des déplacements urbains, il devient crucial de comprendre comment les cyclistes interagissent avec leur environnement et les autres usagers de la route. Le développement de simulateurs, en complément des expérimentations sur vélo instrumenté, permet de mieux saisir ces dynamiques tout en minimisant les risques et les coûts associés à des tests en conditions réelles. Le laboratoire PICS-L a développé un simulateur de vélo qui fournit un cadre idéal pour étudier la dynamique des cyclistes et tester des méthodes de contrôle avancées afin de prévenir les accidents (retournement, collision). Pour garantir la sécurité des cyclistes, une modélisation précise du système Cycliste/Vélo/Infrastructure est nécessaire. Cette modélisation permet d’anticiper les risques, d’adapter les méthodes de contrôle en fonction des caractéristiques des cyclistes et de l’environnement routier, et d’offrir une assistance personnalisée.
Problématique : La sécurité et la mobilité des cyclistes en milieu urbain posent des défis complexes liés à l’instabilité du vélo, aux interactions imprévisibles avec l’infrastructure routière et les autres usagers (voitures, piétons, etc.), ainsi qu’à la diversité des profils de cyclistes. Cette thèse cherche à répondre à la question suivante : Comment modéliser et contrôler la dynamique d’un vélo en interaction avec son environnement pour améliorer la sécurité des cyclistes et prévenir les accidents ?
La mise en place des systèmes d’assistance permettra une meilleure gestion de la trajectoire du cycliste afin d’éviter un accident (renversement, collision, etc.). Cette assistance ne peut être obtenue sans une modélisation et une analyse approfondie du système Cycliste/Infrastructure/Vélo. En effet, la modélisation est très importante pour les chercheurs en sciences, ingénierie et facteurs humains travaillant dans les domaines du transport, de la mobilité des usagers et de la dynamique des véhicules. Pour y parvenir, le cycliste peut être considéré comme un système de contrôle permettant de déterminer les actions nécessaires pour assurer la trajectoire du véhicule. Cela permettra de mieux comprendre le comportement du cycliste et d’améliorer la qualité de la modélisation du vélo, en interaction avec l’infrastructure. Il est important d’identifier le type de cycliste et de pouvoir le classer en fonction de l’assistance à la conduite que l’on souhaite lui apporter. Plusieurs paramètres, pouvant influencer la conduite, seront pris en compte, comme l’âge, le sexe, les capacités physiques ou mentales du cycliste. Les informations que nous proposons d’étudier seront liées aux sollicitations longitudinales ou latérales (phase de freinage et d’accélération, niveaux de vitesse, etc.). L'étude de ces indicateurs permettra d'élaborer un modèle de trajectoire spécifique à une catégorie de cyclistes définie selon une classification statistique. De plus, l'utilisation du simulateur permettra d'étudier le comportement des cyclistes dans différents déterminants environnementaux afin :
• d’identifier les éléments de l'environnement que les cyclistes prennent en compte pour adapter leur comportement de conduite à l'environnement routier (vitesse, distance, etc.) ;
• de comprendre comment les cyclistes adaptent leurs pratiques de conduite en fonction des usagers de la route avec lesquels ils interagissent ;
• de préciser les situations de conduite considérées comme les plus à risque afin de déterminer comment les cyclistes anticipent ces risques et quelles stratégies (équipements ou comportements) ils emploient pour y faire face ;
• d’investiguer les erreurs et comportements de cyclisme inadaptés à la situation et les facteurs environnementaux et personnels qui contribuent à ces comportements.
Enfin, cette thèse vise à développer des modèles dynamiques précis, des systèmes d’estimation et de contrôle innovants pour améliorer la sécurité et le confort des cyclistes.
Objectifs principaux : L'objectif de la thèse proposée est d'étudier les situations à risques en fonction des caractéristiques de l'infrastructure (adhérence de la route, rayon de courbure, etc.), du comportement des cyclistes et des autres usagers de la route (voitures, piétons) et de proposer des méthodes de contrôle pour éviter l’accident au vélo. Les schémas comportementaux pertinents des cyclistes lors de leur déplacement seront identifiés par simulation à l'aide d'un simulateur. Les différentes tâches à réaliser sont :
• État de l’art : Étudier les travaux antérieurs sur la sécurité des cyclistes, les méthodes d’estimation de la dynamique des vélos et les systèmes de contrôle appliqués à la mobilité urbaine. Comparer les approches existantes pour l’étude du comportement des cyclistes via simulateurs et expérimentations réelles.
• Analyse expérimentale sur vélo instrumenté : Collecter des données en conditions réelles à partir d’un vélo équipé de capteurs (accélération, vitesse, angle de braquage, puissance de pédalage, position, etc.). Analyser l’interaction entre les cyclistes, les infrastructures routières et les autres usagers de la route (piétons, véhicules).
• Modélisation dynamique : Développer un modèle dynamique du système Cycliste/Vélo/Infrastructure intégrant les sollicitations longitudinales (freinage, accélération) et latérales (changements de direction). Prendre en compte les caractéristiques spécifiques des cyclistes (âge, sexe, capacités physiques) pour ajuster la modélisation.
• Estimation des états dynamiques : Mettre en œuvre des algorithmes d’estimation, tels que les filtres de Kalman ou des méthodes d’apprentissage automatique, pour prédire les états critiques du vélo (inclinaison, vitesse, distance de freinage). Valider ces estimations par des comparaisons entre les simulations et les données réelles obtenues par les capteurs du vélo instrumenté.
• Développement et validation de méthodes de contrôle : Proposer des systèmes de contrôle pour l’assistance à la conduite permettant de prévenir les accidents (collisions, retournements) en fonction des comportements et des risques détectés. Valider ces systèmes en réalisant des simulations dans différentes conditions (routes glissantes, courbes serrées, interactions avec d’autres usagers). Tester les méthodes développées sur un vélo instrumenté pour garantir leur efficacité en conditions réelles.
• Études comportementales via simulateur : Utiliser le simulateur pour étudier les comportements des cyclistes dans des scénarios à risque (vitesse élevée, interaction avec d’autres usagers, infrastructures complexes). Identifier les facteurs environnementaux et personnels qui influencent les comportements inadaptés (erreurs, prises de risque). Comparer les résultats du simulateur avec les tests sur vélo instrumenté pour affiner les modèles comportementaux et les schémas de contrôle.
Méthodologie : La méthodologie de cette thèse repose sur plusieurs étapes complémentaires, alliant des approches théoriques et pratiques, visant à modéliser, estimer, et contrôler la dynamique d’un vélo instrumenté en interaction avec son environnement:
• Revue de littérature : Analyser les travaux existants sur la modélisation dynamique des vélos, l’estimation d’états, et les méthodes de contrôle afin d’identifier les lacunes et poser les bases théoriques.
• Collecte de données sur vélo instrumenté : Utiliser un vélo équipé de capteurs (accélération, angle de braquage, puissance de pédalage, etc.) pour mesurer ses états dynamiques et le comportement des cyclistes sur différents parcours.
• Modélisation dynamique du vélo : Développer un modèle physique complet du système Cycliste-Vélo-Infrastructure en prenant en compte les interactions environnementales (état de la route, autres usagers) et les caractéristiques individuelles des cyclistes (âge, compétences).
• Estimation d’états en temps réel : Concevoir des algorithmes pour estimer la dynamique du vélo à partir des données capteurs et ajuster en fonction des conditions changeantes.
• Développement de systèmes de contrôle : Élaborer des contrôleurs prédictifs et adaptatifs pour stabiliser le vélo et prévenir les accidents en réagissant aux situations à risque.
• Validation par simulation et expérimentation : Tester les modèles et contrôleurs dans un simulateur de vélo, puis sur un vélo réel instrumenté, afin d’ajuster les systèmes et garantir leur efficacité en conditions réelles.
L’ensemble de ces étapes vise à garantir la sécurité et la mobilité des cyclistes dans des environnements urbains complexes.
Prérequis :
• Dynamique des systèmes et mécanique du mouvement.
• Commande et estimation des systèmes en automatique.
• Capteurs et systèmes embarqués, Traitement du signal.
• Langages de programmation, notamment MATLAB/Simulink.

Mots-clefs: Dynamique des systèmes et mécanique du mouvement,, Commande et estimation des systèmes, Capteurs et systèmes embarqués, Traitement du signal

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - PICS-L - IMINE Hocine tél. : +33 181668356
Directeur du laboratoire principal	DUMONT Eric -
Spécialité de la thèse	Automatique, traitement du signal
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	MATHEMATIQUES ET SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L'INFORMATION ET DE LA COMMUNICATION (MSTIC)
Directeur de thèse prévu	IMINE Hocine - Université Gustave Eiffel - COSYS - PICS-L
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Contexte : La sécurité et la mobilité des cyclistes en milieu urbain sont devenues des préoccupations croissantes à mesure que l'usage du vélo se généralise, notamment avec l'essor des vélos électriques. En ville, les cyclistes doivent souvent interagir avec des infrastructures variées (pistes cyclables, intersections, rond-points, …), des conditions routières fluctuantes (adhérence, obstacles, …) et l’interaction constante avec d'autres usagers de la route (piétons, véhicules motorisés, …) . Malgré les avantages indéniables du vélo comme moyen de transport écologique et sain, son utilisation présente des risques accrus d'accidents dus à l'instabilité inhérente de ce véhicule à deux roues et aux environnements complexes dans lesquels il évolue. La mobilité des cyclistes est un enjeu majeur dans la conception d’infrastructures modernes et durables. Dans le cadre de l’amélioration de la sécurité et de la fluidité des déplacements urbains, il devient crucial de comprendre comment les cyclistes interagissent avec leur environnement et les autres usagers de la route. Le développement de simulateurs, en complément des expérimentations sur vélo instrumenté, permet de mieux saisir ces dynamiques tout en minimisant les risques et les coûts associés à des tests en conditions réelles. Le laboratoire PICS-L a développé un simulateur de vélo qui fournit un cadre idéal pour étudier la dynamique des cyclistes et tester des méthodes de contrôle avancées afin de prévenir les accidents (retournement, collision). Pour garantir la sécurité des cyclistes, une modélisation précise du système Cycliste/Vélo/Infrastructure est nécessaire. Cette modélisation permet d’anticiper les risques, d’adapter les méthodes de contrôle en fonction des caractéristiques des cyclistes et de l’environnement routier, et d’offrir une assistance personnalisée. Problématique : La sécurité et la mobilité des cyclistes en milieu urbain posent des défis complexes liés à l’instabilité du vélo, aux interactions imprévisibles avec l’infrastructure routière et les autres usagers (voitures, piétons, etc.), ainsi qu’à la diversité des profils de cyclistes. Cette thèse cherche à répondre à la question suivante : Comment modéliser et contrôler la dynamique d’un vélo en interaction avec son environnement pour améliorer la sécurité des cyclistes et prévenir les accidents ? La mise en place des systèmes d’assistance permettra une meilleure gestion de la trajectoire du cycliste afin d’éviter un accident (renversement, collision, etc.). Cette assistance ne peut être obtenue sans une modélisation et une analyse approfondie du système Cycliste/Infrastructure/Vélo. En effet, la modélisation est très importante pour les chercheurs en sciences, ingénierie et facteurs humains travaillant dans les domaines du transport, de la mobilité des usagers et de la dynamique des véhicules. Pour y parvenir, le cycliste peut être considéré comme un système de contrôle permettant de déterminer les actions nécessaires pour assurer la trajectoire du véhicule. Cela permettra de mieux comprendre le comportement du cycliste et d’améliorer la qualité de la modélisation du vélo, en interaction avec l’infrastructure. Il est important d’identifier le type de cycliste et de pouvoir le classer en fonction de l’assistance à la conduite que l’on souhaite lui apporter. Plusieurs paramètres, pouvant influencer la conduite, seront pris en compte, comme l’âge, le sexe, les capacités physiques ou mentales du cycliste. Les informations que nous proposons d’étudier seront liées aux sollicitations longitudinales ou latérales (phase de freinage et d’accélération, niveaux de vitesse, etc.). L'étude de ces indicateurs permettra d'élaborer un modèle de trajectoire spécifique à une catégorie de cyclistes définie selon une classification statistique. De plus, l'utilisation du simulateur permettra d'étudier le comportement des cyclistes dans différents déterminants environnementaux afin : • d’identifier les éléments de l'environnement que les cyclistes prennent en compte pour adapter leur comportement de conduite à l'environnement routier (vitesse, distance, etc.) ; • de comprendre comment les cyclistes adaptent leurs pratiques de conduite en fonction des usagers de la route avec lesquels ils interagissent ; • de préciser les situations de conduite considérées comme les plus à risque afin de déterminer comment les cyclistes anticipent ces risques et quelles stratégies (équipements ou comportements) ils emploient pour y faire face ; • d’investiguer les erreurs et comportements de cyclisme inadaptés à la situation et les facteurs environnementaux et personnels qui contribuent à ces comportements. Enfin, cette thèse vise à développer des modèles dynamiques précis, des systèmes d’estimation et de contrôle innovants pour améliorer la sécurité et le confort des cyclistes. Objectifs principaux : L'objectif de la thèse proposée est d'étudier les situations à risques en fonction des caractéristiques de l'infrastructure (adhérence de la route, rayon de courbure, etc.), du comportement des cyclistes et des autres usagers de la route (voitures, piétons) et de proposer des méthodes de contrôle pour éviter l’accident au vélo. Les schémas comportementaux pertinents des cyclistes lors de leur déplacement seront identifiés par simulation à l'aide d'un simulateur. Les différentes tâches à réaliser sont : • État de l’art : Étudier les travaux antérieurs sur la sécurité des cyclistes, les méthodes d’estimation de la dynamique des vélos et les systèmes de contrôle appliqués à la mobilité urbaine. Comparer les approches existantes pour l’étude du comportement des cyclistes via simulateurs et expérimentations réelles. • Analyse expérimentale sur vélo instrumenté : Collecter des données en conditions réelles à partir d’un vélo équipé de capteurs (accélération, vitesse, angle de braquage, puissance de pédalage, position, etc.). Analyser l’interaction entre les cyclistes, les infrastructures routières et les autres usagers de la route (piétons, véhicules). • Modélisation dynamique : Développer un modèle dynamique du système Cycliste/Vélo/Infrastructure intégrant les sollicitations longitudinales (freinage, accélération) et latérales (changements de direction). Prendre en compte les caractéristiques spécifiques des cyclistes (âge, sexe, capacités physiques) pour ajuster la modélisation. • Estimation des états dynamiques : Mettre en œuvre des algorithmes d’estimation, tels que les filtres de Kalman ou des méthodes d’apprentissage automatique, pour prédire les états critiques du vélo (inclinaison, vitesse, distance de freinage). Valider ces estimations par des comparaisons entre les simulations et les données réelles obtenues par les capteurs du vélo instrumenté. • Développement et validation de méthodes de contrôle : Proposer des systèmes de contrôle pour l’assistance à la conduite permettant de prévenir les accidents (collisions, retournements) en fonction des comportements et des risques détectés. Valider ces systèmes en réalisant des simulations dans différentes conditions (routes glissantes, courbes serrées, interactions avec d’autres usagers). Tester les méthodes développées sur un vélo instrumenté pour garantir leur efficacité en conditions réelles. • Études comportementales via simulateur : Utiliser le simulateur pour étudier les comportements des cyclistes dans des scénarios à risque (vitesse élevée, interaction avec d’autres usagers, infrastructures complexes). Identifier les facteurs environnementaux et personnels qui influencent les comportements inadaptés (erreurs, prises de risque). Comparer les résultats du simulateur avec les tests sur vélo instrumenté pour affiner les modèles comportementaux et les schémas de contrôle. Méthodologie : La méthodologie de cette thèse repose sur plusieurs étapes complémentaires, alliant des approches théoriques et pratiques, visant à modéliser, estimer, et contrôler la dynamique d’un vélo instrumenté en interaction avec son environnement: • Revue de littérature : Analyser les travaux existants sur la modélisation dynamique des vélos, l’estimation d’états, et les méthodes de contrôle afin d’identifier les lacunes et poser les bases théoriques. • Collecte de données sur vélo instrumenté : Utiliser un vélo équipé de capteurs (accélération, angle de braquage, puissance de pédalage, etc.) pour mesurer ses états dynamiques et le comportement des cyclistes sur différents parcours. • Modélisation dynamique du vélo : Développer un modèle physique complet du système Cycliste-Vélo-Infrastructure en prenant en compte les interactions environnementales (état de la route, autres usagers) et les caractéristiques individuelles des cyclistes (âge, compétences). • Estimation d’états en temps réel : Concevoir des algorithmes pour estimer la dynamique du vélo à partir des données capteurs et ajuster en fonction des conditions changeantes. • Développement de systèmes de contrôle : Élaborer des contrôleurs prédictifs et adaptatifs pour stabiliser le vélo et prévenir les accidents en réagissant aux situations à risque. • Validation par simulation et expérimentation : Tester les modèles et contrôleurs dans un simulateur de vélo, puis sur un vélo réel instrumenté, afin d’ajuster les systèmes et garantir leur efficacité en conditions réelles. L’ensemble de ces étapes vise à garantir la sécurité et la mobilité des cyclistes dans des environnements urbains complexes. Prérequis : • Dynamique des systèmes et mécanique du mouvement. • Commande et estimation des systèmes en automatique. • Capteurs et systèmes embarqués, Traitement du signal. • Langages de programmation, notamment MATLAB/Simulink.
Mots-clefs:	Dynamique des systèmes et mécanique du mouvement,, Commande et estimation des systèmes, Capteurs et systèmes embarqués, Traitement du signal

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