Le véhicule autonome est un véhicule qui se conduira, à terme, sans aucune intervention du conducteur, quelle que soit la situation de conduite. Ce véhicule comprend une nouvelle fonction, nommée fonction AD, pour Autonomous Driving, en charge de la conduite autonome. Cette fonction peut se trouver dans des états différents (Active, Disponible par exemple) selon l'évolution des conditions environnementales. Le changement de ses états est géré par une fonction de Supervision, nommée Supervision AD. Le principal objet de ces travaux consiste à garantir que la fonction AD se trouve constamment dans un état sûr. Ceci revient à s'assurer que la Supervision AD respecte l'ensemble des exigences fonctionnelles et de sûreté qui spécifient son comportement. Ces deux types d'exigences sont émis par deux métiers distincts : l'Architecte Métier Système (AMS) et le pilote Sûreté de Fonctionnement (SdF). Ces deux disciplines d'ingénierie, bien qu'elles contribuent à la conception d'une même fonction, se distinguent en de nombreux points : objectifs, contraintes, planning, outils... Dans notre cas d'étude, ces différences s'illustrent par les exigences considérées : les exigences fonctionnelles sont allouées à la fonction AD globale, tandis que les exigences de sûreté spécifient le comportement de sous-fonctions locales redondantes assurant une continuité de service en cas de défaillance. La mise en cohérence de ces deux perspectives métier au plus tôt dans le cycle de conception et dans un contexte industriel, est la problématique centrale traitée. Les enjeux de SdF soulevés par le véhicule autonome rendent ce problème primordial pour les constructeurs automobiles. Afin de répondre à ces préoccupations, nous avons proposé une démarche outillée et collaborative de conception sûre de la Supervision AD. Cette démarche est intégrée dans les processus normatifs en vigueur (normes ISO 15288 et ISO 26262) ainsi que dans les processus de conception internes chez Renault. Elle est fondée sur la vérification formelle par model checking, la composition parallèle d'automates finis et l'expertise métier. Cette démarche prône l'utilisation d'un même formalisme (l'automate à états finis) par les deux métiers pour mener à bien des activités partageant un objectif de modélisation commun : la vérification d'exigences de comportement en phase amont de conception. Une méthode pour traduire les exigences en propriétés formelles et construire les modèles d'état a été déployée. Il en résulte une consolidation progressive des exigences traitées, initialement rédigées en langage naturel. Les potentielles ambigüités, incohérences et incomplétudes sont exhibées et traitées. / The Autonomous Vehicle is meant to drive itself, without any driver intervention, whatever the driving situation. This vehicle includes a new function, called AD, for Autonomous Driving, function. This function can be in different states (Available, Active for example) according to environmental conditions evolution. This states change is managed by a supervision function, named AD Supervision. The main goal of my works consists in guaranteeing that AD function remains always in a safe state. In other words, the AD Supervision must always respect all the functional and safety requirements that specify its behavior. These two requirements types are produced by two different professions: the System Architect (SA) and the Safety Engineer (SE). These two fields contribute to the design of the same function but distinguish at several aspects: objectives, constraints, planning, tools… In our case study, these differences are illustrated by considered requirements: the functional requirements are allocated to global AD function, while the safety requirements specify the behavior of local redundant sub-functions ensuring a continuous service in case of failure. The consistency of the two perspectives as early as possible in the design phase and in an industrial context, is the central problematic addressed. The safety issues due to Autonomous Vehicle make this topic essential for the automotive manufacturers. To meet these concerns, we proposed a tooled and collaborative approach for safe design of AD Supervision. This approach is integrated in the normative processes (standards ISO 26262 and ISO 15288) as well as in the internal design processes at Renault. It is based on formal verification by model checking, parallel composition of finite sate automata and technical expertise. This approach advocates the utilization of a same formalism (state automata) by the two professions to perform activities sharing a common goal: behavior requirements verification in preliminary design phase. A method to translate requirements into formal properties and to build state models has been deployed. The result is a progressive consolidation of treated requirements, initially expressed in free natural language. The potential ambiguities, inconsistencies and incompleteness are exhibited and treated. Two main contributions are in this way illustrated: highlighting of several formal credible (i.e. validated by expertise) specifications from informal requirements; and precise definition of technical expertise role (milestones, planning). However, this reinforcement – in silos – of the two profession viewpoints does not guarantee that they are mutually consistent. Thus, we proposed a convergence method, relying on expertise and on parallel composition of state automata, for the comparison of local and global views.

Les réseaux de neurones formels permettent de construire, par apprentissage statistique, une vaste famille de modèles et de correcteurs non linéaires. L'objet de cette thèse est la définition des modalités de mise en œuvre de réseaux de neurones et l'évaluation de leur apport pour la modélisation et la commande non adaptatives de processus dynamiques non linéaires. Sur le plan théorique, nous présentons la modélisation et la commande de processus par réseaux de neurones dans un cadre aussi général que possible, en les plaçant dans la perspective de l'Automatique classique. En modélisation, les résultats concernant les systèmes linéaires nous aident à formuler les prédicteurs non linéaires optimaux théoriques correspondant à diverses hypothèses sur le bruit intervenant dans le processus à modéliser ; une méthodologie d'apprentissage associée fournit des prédicteurs neuronaux qui sont des réalisations des prédicteurs théoriques. Nous proposons ensuite une famille de systèmes de commande neuronaux, dont nous étudions les propriétés et les liens avec les systèmes de commande classique, linéaire ou non, en insistant notamment sur la robustesse ; ceci nous conduit à développer la commande avec modèle interne neuronale. Sur le plan pratique, nous illustrons notre démarche et nos résultats par une application industrielle, le pilotage d'un véhicule autonome tout-terrain, dont le volant, l'accélérateur et le frein sont commandés par des réseaux neuronaux.

Dans ce mémoire, nous présentons une méthode de suivi de fond pour petits véhicules autonomes sous-marins sous-actionnés de type « torpille civile ». Nous établissons les deux principales limitations qui contraignent leurs déplacements : le rayon de courbure minimal et la pente maximale de leur trajectoire. Nous proposons ensuite une méthode globale de suivi de fond prenant en compte ces contraintes. La génération des trajectoires suppose la connaissance de la position du véhicule dans un environnement bathymétrique connu a priori. Cette dernière condition n'étant pas toujours vérifiée, nous adaptons la méthode globale au cas, local, où le véhicule navigue dans un environnement inconnu dont il découvre progressivement les caractéristiques physiques. La méthode employée alors exploite les données bathymétriques acquises par deux sondeurs mono-faisceaux disposés dans le nez du véhicule. Le choix de ce type de capteurs est justifié et les modèles des faisceaux acoustiques sont étudiés. L'adjonction d'un troisième sondeur à l'avant du véhicule permet de tenir compte également de l'éventualité de se trouver face à un aplomb, c'est-à-dire une falaise sous-marine. Un algorithme basé sur un découpage du faisceau en trois zones de perception permet de classer les échos reçus et d'adapter le comportement du véhicule en conséquence. On détermine ainsi la taille de l'obstacle et la manière de l'éviter afin de garantir la sécurité du véhicule tout en tâchant de suivre le fond au plus près. Les résultats des simulations du comportement hydrodynamique du véhicule Taipan ainsi que des essais en milieu naturel sont présentés.

Ce travail porte sur la conception d’un système capable d’effectuer des manœuvres de parking automatique plus polyvalent que ceux actuellement commercialisés, tout en conservant une définition technique des capteurs extéroceptifs limités en prix et en gabarit. Un cas d’usage typique est de permettre au véhicule de se rendre automatiquement dans la zone de garage du domicile de son propriétaire, cette fonction est classiquement appelée voiturier autonome à domicile. Partant de l’existant et connaissant les performances attendues, une architecture système et une architecture fonctionnelle ont été tracées. Cela a permis de constituer un ensemble de fonctions interconnectées qui ont participé dans la création d’une architecture software modulaire ainsi que dans la création des interfaces de connexion au véhicule prototype. Dans un premier temps, nous explorons la problématique de la détection d’obstacles. Partant d’un système propriétaire fermé de capteurs ultrason, nous avons réussi à réaliser une carte d’obstacle à un niveau de précision supérieur au produit d’origine. Une augmentation de la limite de détection des capteurs ultrason a été réalisée utilisant une technique Structure from Motion. Ces informations d’occupation ont été exploitées par la suite pour traiter la problématique de détection du couloir de navigation. Dans un second temps, la fonction de localisation du véhicule est abordée. Trois techniques de localisation collaborent pour une robustesse de fonctionnement continu : la localisation odométrique, la localisation par appariement des grilles d’occupation et la localisation par appariement entre une image actuelle et une base d’images adaptée à notre besoin et améliorée en termes de temps de calcul. Enfin, nous nous sommes intéressés à la problématique de navigation du véhicule. Nous avons considéré résolue la problématique de contrôle des actionneurs pour le suivi d’une trajectoire donnée et nous nous sommes concentrés sur la création d’une trajectoire admissible. Nous avons développé une technique de planification locale pour l’évitement d’un d’obstacles non cartographiés. Pour la construction de trajectoire nous avons utilisé des courbes à géométrie connue et avons montré qu’en utilisant trois clothoïdes et éventuellement deux arcs de cercle (si le braquage maximal est atteint) il est possible de créer des trajectoires à courbure continue adaptées à notre situation. Nous avons montré que l’utilisation d’une carte d’obstacles nous permet de prédire plus en avance de la possibilité d’emprunter un certain couloir de navigation. Chacune des parties de ce travail a fait l’objet de validations en simulation mais aussi sur des données réelles démontrant la pertinence des approches proposées quant à l’application visée. / This work covers the conception of a system capable to do automatic parking maneuvers more versatile than those already commercialized, respecting the technical definition of exteroceptive sensors limited by costs and weight. A typical use case is to set a vehicle to park autonomously in the parking lot of a home, function generally called autonomous home valet parking. Taking from the existing and knowing the expected performances, a system architecture and a functional architecture were drawn. This allowed to compose an assembly of interconnected functions that participated in the creation of modular software architecture, as well as in the creation of connection interfaces with the prototype vehicle. First, we explored the obstacle detection problem. Having a closed property system with ultrasonic sensors, we managed to build an obstacle map with a higher precision level than the build-in product. An increasing limit detection of the ultrasonic sensors was developed using the Structure from Motion technique. This obstacle occupancy information was exploited afterwards in order to solve the detection problem of the navigation corridors. Second, the vehicle localization is addressed. Three localization techniques work for a continuous functioning robustness: the localization by odometry, the localization by occupancy grid map matching and the localization by comparing the current image with the images stored in a database adapted to our needs and improved by computing means. Last, we interested in the vehicle navigation problem. We considered solved the actuator control problem for the tracking of a given trajectory and we concentrated on an admissible trajectory planning. We developed a local path planning technique for avoiding the unmapped obstacles. In order to build the trajectory we used curves of known geometry and we proved that by using clothoides and eventually two circle arches (if maximum steering angle achieved) it is therefore be possible to create trajectories with continuous curves adapted to our situation. We confirmed that using an obstacle map will allow us to predict forehead the possibility to take a specific navigation corridor. Each part of this work was validated in simulation as well as on real data, proving the pertinence of the proposed approaches for the intended application.

Le travail présenté dans la thèse s’inscrit dans le projet de recherche partenarial ANR-ABV 2009 dont l’objet est la conception d’un système de conduite automatisée à basse vitesse. Il décrit et analyse les principes d’un contrôle partagé d’un véhicule automobile entre un conducteur humain et un copilote électronique (E-copilote). L’objectif est de mettre en place une coopération Homme-Machine efficace entre le conducteur et l’E-copilote. Un des enjeux est notamment de permettre au conducteur d’interagir avec l’E-copilote de façon continue pour pouvoir exécuter les manœuvres qu’il souhaite sans nécessiter la désactivation ni être gêné par l’E-copilote. Cet enjeu répond au besoin de prise en compte des actions du conducteur entreprises pour pallier celles du E-copilote dans certaines situations par exemple éviter un obstacle non perçu par le système. L’objectif dans ce cas est de garantir le confort au conducteur ainsi que sa conscience du mode engagé (système actif ou pas). Le conducteur et l’E-copilote agissant simultanément sur le système de direction, chacun doit être conscient des actions de l’autre : une communication bidirectionnelle est essentielle. Pour atteindre cet objectif, nous avons retenu les interactions haptiques à travers le système de direction du véhicule. Le couple appliqué par le conducteur sur volant est utilisé par l’E-copilote pour prendre en compte ces actions de la même façon que le couple produit par l’E-copilote est ressenti par le conducteur et utilisé pour comprendre le comportement du système. D’autres aspects essentiels pour la coopération H-M ont également été abordés : l’´étude des changements de modes de fonctionnement du système ainsi que l’IHM via laquelle le conducteur interagit avec le système. / The work presented in the thesis is part of the research partnership project ANRABV 2009 which aims is to design an automated low-speed driving. It describes and analyzes the principles of shared control of a motor vehicle between a human driver and an electronic copilot (E-copilot). The objective is to establish effective human-machine cooperation between the driver and E-copilot. One issue is particular to allow the driver to interact with the E-copilot continuously in order to perform maneuvers he wants without requiring deactivation neither constrained by E-copilot. This issue addresses the need for consideration of driver actions taken to remedy those of E-copilot for example avoiding undetected obstacle by the system while ensuring operator comfort and the driver situation awareness. The driver and E-co-pilot acting simultaneously on the steering system, everyone must be aware of the actions of the other: twoway communication is essential. To achieve this goal, we used the haptic interactions through the steering system of the vehicle. The torque applied by the driver on the steering wheel is used by the E-copilot to take into account these actions as the torque produced by the E-copilot is felt by the driver and used to understand the system’s behavior. Other key issues for the Human-Machine Cooperation were also discussed: the study of changes in modes of operation of the system and HMI via which the driver interact with the system.

Face à l’évolution rapide des technologies nécessaires à l’automatisation de la conduite au cours de ces dernières années, les grands constructeurs automobiles promettent la commercialisation de véhicules autonomes à l’horizon 2020. Cependant, la définition des interactions entre les systèmes de conduite automatisée et le conducteur au cours de la tâche de conduite reste une question ouverte. L'objectif de cette thèse est de concevoir, développer et évaluer des principes de coopération entre le conducteur et les systèmes de conduite automatisée. Compte tenu de la complexité d'un tel Système Homme-Machine, la thèse propose, en premier lieu une architecture de contrôle coopératif hiérarchique et deux principes de coopération généraux sur deux niveaux dans l’architecture qui serviront ensuite de base commune pour la conception des systèmes coopératifs développés pour les cas d’usages définis. Afin d’assurer une coopération efficace avec le conducteur dans un environnement de conduite dynamique, le véhicule autonome a besoin de comprendre la situation et de partager sa compréhension de la situation avec le conducteur. Pour cela, cette thèse propose un formalisme de représentation de la scène de conduite basé sur le repère de Frenet. Ensuite, une méthode de prédiction de trajectoire est également proposée. Sur la base de la détection de manœuvre et de l'estimation du jerk, cette méthode permet d’améliorer la précision de la trajectoire prédite comparée à celle déterminée par la méthode basée sur une hypothèse d'accélération constante. Dans la partie d’études de cas, deux principes de coopération sont mis en œuvre dans deux cas d’usage. Dans le premier cas de la gestion d’insertion sur autoroute, un système de contrôle longitudinal coopératif est conçu. Il comporte une fonction de planification de manœuvre et de génération de trajectoire basée sur la commande prédictive. En fonction du principe de coopération, ce système peut à la fois gérer automatiquement l’insertion d’un véhicule et donner la possibilité au conducteur de changer la décision du système. Dans le second cas d'usage qui concerne le contrôle de trajectoire et le changement de voie sur autoroute, le problème de partage du contrôle est formulé comme un problème d’optimisation sous contraintes qui est résolu en ligne en utilisant l’approche de la commande prédictive (MPC). Cette approche assure le transfert continu de l’autorité du contrôle entre le système et le conducteur en adaptant les pondérations dans la fonction de coût et en mettant en œuvre des contraintes dynamiques en ligne dans le modèle prédictif, tout en informant le conducteur des dangers potentiels grâce au retour haptique sur le volant. Les deux systèmes sont évalués à l’aide de tests utilisateur sur simulateur de conduite. En fonction des résultats des tests, cette thèse discute la question des facteurs humains et la perception de l'utilisateur sur les principes de coopération. / Given rapid advancement of automated driving (AD) technologies in recent years, major car makers promise the commercialization of AD vehicles within one decade from now. However, how the automation should interact with human drivers remains an open question. The objective of this thesis is to design, develop and evaluate interaction principles for AD systems that can cooperate with a human driver. Considering the complexity of such a human-machine system, this thesis begins with proposing two general cooperation principles and a hierarchical cooperative control architecture to lay a common basis for interaction and system design in the defined use cases. Since the proposed principles address a dynamic driving environment involving manually driven vehicles, the AD vehicle needs to understand it and to share its situational awareness with the driver for efficient cooperation. This thesis first proposes a representation formalism of the driving scene in the Frenet frame to facilitate the creation of the spatial awareness of the AD system. An adaptive vehicle longitudinal trajectory prediction method is also presented. Based on maneuver detection and jerk estimation, this method yields better prediction accuracy than the method based on constant acceleration assumption. As case studies, this thesis implements two cooperation principles for two use cases respectively. In the first use case of highway merging management, this thesis proposes a cooperative longitudinal control framework featuring an ad-hoc maneuver planning function and a model predictive control (MPC) based trajectory generation for transient maneuvers. This framework can automatically handle a merging vehicle, and at the mean time it offers the driver a possibility to change the intention of the system. In another use case concerning highway lane positioning and lane changing, a shared steering control problem is formulated in MPC framework. By adapting the weight on the stage cost and implementing dynamic constraints online, the MPC ensures seamless control transfer between the system and the driver while conveying potential hazards through haptic feedback. Both of the designed systems are evaluated through user tests on driving simulator. Finally, human factors issue and user’s perception on these new interaction paradigms are discussed.