Modelling, simulation and control of the cyclist effort by an intelligent electric bicycle.
Modélisation, simulation et contrôle de l'effort du cycliste par un vélo électrique intelligent.
Résumé
This thesis concerns the control of the effort of a cyclist by an intelligent electric bicycle. The main idea is to use the electrical assistance of an e-bike in order to increase or lower the mechanical load perceived by the cyclist. The effort level is chosen based on the physiological characteristics of the rider formulated in terms of respiratory gas exchange. In order to develop such solution novel modelling, estimation and control strategies were proposed.
First, a simulation model including a mechanical, biomechanical and physiological description of the bike and cyclist system was proposed in order generate realistic trajectories for the pedaling force, pedaling speed and respiratory gas exchange variables of the cyclist during exercise. Also, state estimations strategies based on an Explicit Error Bound Set-Membership Observer and on a Robust Proportional Integral Observer were proposed in order to estimation the respiratory gas exchange variables of the cyclist during exercise. Finally, control strategies based on a Proportional Integral controller and on a robust Linear Quadratic Controller for the electrical assistance of the bike were developed in simulation and validated experimentally on an e-bike prototype.
Using these new tools, the exercise intensity of a cyclist was regulated at a desired value during an outdoor cycling session in an uncontrolled environment.
Cette thèse concerne le contrôle de l'effort d'un cycliste par un vélo électrique intelligent. L'idée principale est d'utiliser l'assistance électrique d'un vélo électrique afin d'augmenter ou de diminuer la charge mécanique perçue par le cycliste. Le niveau d'effort est choisi en fonction des caractéristiques physiologiques du cycliste formulées en termes d'échange gazeux respiratoire. Afin de développer une telle solution, de nouvelles stratégies de modélisation, d'estimation et de contrôle ont été proposées.
Tout d'abord, un modèle de simulation comprenant une description mécanique, biomécanique et physiologique du système vélo et cycliste a été proposé afin de générer des trajectoires réalistes pour la force de pédalage, la vitesse de pédalage et les variables d'échanges gazeux respiratoires du cycliste pendant l'exercice. De plus, des stratégies d'estimation d'état basées sur un observateur de type Set-Membership à intervalle d'erreurs explicites et sur un observateur Proportionnel Intégral robuste ont été proposées afin d'estimer les variables d'échanges gazeux respiratoire du cycliste pendant l'exercice. Enfin, des stratégies de contrôle basées sur un contrôleur proportionnel intégral et sur un contrôleur linéaire quadratique robuste pour l'assistance électrique du vélo ont été développées en simulation et validées expérimentalement sur un prototype de vélo électrique.
Grâce à ces nouveaux outils, l'intensité de l'exercice d'un cycliste a été régulée à une valeur souhaitée pendant une session de cyclisme en extérieur dans un environnement non contrôlé.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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