Un des buts de la recherche et du développement des systèmes de transport intelligents est d'augmenter le confort et la sécurité des passagers, tout en réduisant la consommation d'énergie, la pollution de l'air et le temps de déplacement. L'introduction de voitures complètement autonomes sur la voie publique nécessite la résolution d'un certain nombre de problèmes techniques et en particulier de disposer de modules de planification de trajectoire robustes. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre. Il propose une architecture modulaire pour la planification de trajectoire d'un véhicule autonome. La méthode permet de générer des trajectoires constituées de courbes interpolées adaptées à des environnements complexes comme des virages, des ronds-points, etc., tout en garantissant la sécurité et le confort des passagers. La prise en compte de l'incertitude des systèmes de perception, des limites physiques du véhicule, de la disposition des routes et des règles de circulation est aussi assurée dans le calcul de la trajectoire. L'algorithme est capable de modifier en temps réel la trajectoire prédéfinie de façon à éviter les collisions. Le calcul de la nouvelle trajectoire maintient les accélérations latérales à leur minimum, assurant ainsi le confort du passager. L'approche proposée a été évaluée et validée dans des environnements simulés et sur des véhicules réels. Cette méthode permet d'éviter les obstacles statiques et dynamiques repérés par le système de perception.Un système d'aide à la conduite pour le contrôle partagé basé sur cette architecture est introduit. Il prend en compte l'arbitrage, la surveillance et le partage de la conduite tout en maintenant le conducteur dans la boucle de contrôle. Il laisse le conducteur agir tant qu'il n'y a pas de danger et interagit avec le conducteur dans le cas contraire. L'algorithme se décompose donc en deux processus : 1) évaluation du risque et, s'il y a un risque avéré 2) partage du contrôle à l'aide de signaux haptiques via le volant.La méthode de planification de trajectoire présentée dans cette thèse est modulaire et générique. Elle peut être intégrée facilement dans toute architecture d'un véhicule autonome. / Developments in the Intelligent Transportation Systems (ITS) field show promising results at increasing passengers comfort and safety, while decreasing energy consumption, emissions and travel time. In road transportation, the appearance of automated vehicles is significantly aiding drivers by reducing some driving-associated tedious tasks. However, there is still a long way to go before making the transition between automated vehicles (i.e. vehicles with some automated features) and autonomous vehicles on public roads (i.e. fully autonomous driving), specially from the motion planning point of view. With this in mind, the present PhD thesis proposes the design of a generic modular architecture for automated vehicles motion planning. It implements and improves curve interpolation techniques in the motion planning literature by including comfort as the main design parameter, addressing complex environments such as turns, intersections and roundabouts. It will be able to generate suitable trajectories that consider measurements' incertitude from the perception system, vehicle’s physical limits, the road layout and traffic rules. In case future collision states are detected, the proposed approach is able to change---in real-time---the current trajectory and avoid the obstacle in front. It permits to avoid obstacles in conflict with the current trajectory of the ego-vehicle, considering comfort limits and developing a new trajectory that keeps lateral accelerations at its minimum. The proposed approach is tested in simulated and real urban environments, including turns and two-lane roundabouts with different radii. Static and dynamic obstacles are considered as to face and interact with other road actors, avoiding collisions when detected. The functional architecture is also tested in shared control and arbitration applications, focusing in keeping the driver in the control loop to addition the system's supervision over drivers’ knowledge and skills in the driving task. The control sharing advanced driver assistance system (ADAS) is proposed in two steps: 1) risk assessment of the situation in hand, based on the optimal trajectory and driving boundaries identified by the motion planning architecture and; 2) control sharing via haptic signals sent to the driver through the steering wheel. The approach demonstrates the modularity of the functional architecture as it proposes a general solution for some of today's unsolved challenges in the automated driving field.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons à la coordination et l'optimisation du trafic aux intersections des réseaux routiers, avec la particularité de considérer des véhicules autonomes intelligents. Cette thèse est organisée en deux grandes parties. La première se concentre sur le problème du partage d'un espace de voie par deux files de véhicules évoluant en sens opposés. L'état de l'art montre le peu de travaux abordant cette question. Nous explorons deux approches par coordination réactive, en relation avec un critère de minimisation des retards. Les performances de ces approches ont été mesurées statistiquement en simulation. La deuxième partie de la thèse s'attaque au problème générique de la gestion du trafic au sein d'un réseau routier. Nous développons une approche originale à deux égards: d'une part elle explore un principe de passage en alternance des flux permettant de ne pas arrêter les véhicules aux intersections, et d'autre part, elle propose des algorithmes d'optimisationdistribuée de ce passage alterné au niveau de chaque intersection et au niveau du réseau global. La thèse présente successivement les choix de modélisation, les algorithmes et l'étude en simulation de leurs performances comparées à desapproches existantes / In this thesis, we focus on traffic coordination and optimization in road intersections, while accounting for intelligent autonomous vehicles. This thesis is organized in two parts. The first part focuses on the problem of sharing a one-lane road between two opposite flows of vehicles. The state of the art shows few studies addressing this issue. We propose two reactive coordination approaches that minimize vehicle delays and measure their performances statistically through simulations. The second part of the thesis addresses the problem of generic traffic management in a traffic network. We develop a stop-free approach that explores a principle alternating vehicles between flows at intersections, and it provides distributed algorithms optimizing this alternation at each intersection and in the overall network. We present the modeling choices, the algorithms and the simulation study of our approach and we compare its performances with existing approaches

Grâce aux progrès réalisés dans les domaines de la robotique et des systèmes de transport intelligents (ITS), les véhicules autonomes du futur sont en train de devenir une réalité. Comme les véhicules autonomes devront se comporter en toute sécurité en présence d’autres véhicules, de piétions et d’autres objets fixes ou en mouvement, une des choses les plus importantes qu’ils doivent faire est de percevoir efficacement à la fois leur mouvement et l’environnement autour d’eux. Dans cette thèse, nous avons d’abord étudié comment des capteurs visuels bio-inspirés, qui mesurent le flux optique en 1-D en utilisant seulement quelques pixels sur la base du système visuel de la mouche, pourraient être utilisés pour améliorer les manœuvres de stationnement automatiques. Nous avons ensuite travaillé sur une nouvelle rétine de silicium bio-inspirée, en montrant que le nouveau pixel, appelé M²APIX, est capable de s’auto-adapter dans une gamme de 7 décades et de répondre de manière appropriée à des changements de luminosité rapides jusqu’à ±3 décades, tout en conservant une sensibilité aux contrastes aussi bas que 2%. Nous avons enfin développé et testé un nouveau capteur de flux optique basé sur cette rétine auto-adaptative et sur une nouvelle méthode robuste pour le calcul du flux optique, qui est robuste aux variations de lumière, textures et vibrations que l’on retrouve en milieu routier. Nous avons également construit un robot de type voiture, appelé BioCarBot, qui estime sa vitesse et son angle de braquage au moyen d’un filtre de Kalman étendu (EKF), en utilisant uniquement les mesures de flux optique délivrées par deux capteurs de ce type regardant vers le sol. / Thanks to the advances in the fields of robotics and intelligent transportation systems (ITS), the autonomous vehicles of the future are gradually becoming a reality. As autonomous vehicles will have to behave safely in presence of other vehicles, pedestrians and other fixed and moving objects, one of the most important things they need to do is to effectively perceive both their motion and the environment around them. In this thesis, we first investigated how bio-inspired visual sensors, giving 1-D optic flow using a few pixels based on the findings on the fly’s visual system, could be used to improve automatic parking maneuvers. We subsequently tested a novel bio-inspired silicon retina, showing that the novel pixel, called M2APix, can auto-adapt in a 7-decade range and respond appropriately to step changes up to ±3 decades, while keeping sensitivity to contrasts as low as 2%. We lastly developed and tested a novel optic flow sensor based on this auto-adaptive retina and a new robust method for computing the optic flow, which is robust to the light levels, textures and vibrations that can be found while operating on the road. We also constructed a car-like robot, called BioCarBot, which estimates its velocity and steering angle by means of an extended Kalman filter (EKF) using only the optic flow measurements delivered by two downward-facing sensors of this kind.

La présence de systèmes et d'objets embarqués communicants dans notre vie quotidienne nous a apporté une myriade d'avantages, allant de l'ajout de commodité et de divertissement à l'amélioration de la sûreté de nos déplacements et des soins de santé. Cependant, les défauts et les vulnérabilités de ces systèmes exposent leurs utilisateurs à des risques de dommages matériels, de pertes financières, et même des dommages corporels. Par exemple, certains véhicules commercialisés, qu'ils soient connectés ou conventionnels, ont déjà souffert d'une variété de défauts de conception entraînant des blessures et la mort. Dans le même temps, alors que les véhicules sont de plus en plus connectés (et dans un avenir proche, autonomes), les chercheurs ont démontré la possibilité de piratage de leurs capteurs ou de leurs systèmes de contrôle interne, y compris l'injection directe de messages sur le bus CAN.Pour assurer la sûreté des utilisateurs et des passants, il faut considérer plusieurs facteurs. La sûreté conventionnelle suggère qu'un système ne devrait pas contenir de défauts logiciels et matériels qui peuvent l'empêcher de fonctionner correctement. La "sûreté de la fonction attendue" consiste à éviter les situations que le système ou ses composants ne peuvent pas gérer, comme des conditions environnementales extrêmes. Le timing peut être critique pour certains systèmes en temps réel, car afin d'éviter des situations dangereuses, le système devra réagir à certains événements, comme l'évitement d'obstacles, dans un délai déterminé. Enfin, la sûreté d'un système dépend de sa sécurité. Un attaquant qui peut envoyer des commandes fausses ou modifier le logiciel du système peut changer son comportement et le mettre dans diverses situations dangereuses. Diverses contre-mesures de sécurité et de sûreté pour les systèmes embarqués, en particulier les véhicules connectés, ont été proposées. Pour mettre en oeuvre correctement ces contre-mesures, il faut analyser et vérifier que le système répond à toutes les exigences de sûreté, de sécurité et de performance, et les faire la plus tôt possible dans les premières phases de conception afin de réduire le temps de mise sur le marché, et éviter les reprises. Cette thèse s'intéresse à la sécurité et la sûreté des les systèmes embarqués, dans le contexte du véhicule autonome de l'Institut Vedecom. Parmi les approches proposées pour assurer la sûreté et la sécurité des les systèmes embarqués, l'ingénierie dirigée par modèle est l'une de ces approches qui couvre l'ensemble du processus de conception, depuis la définition des exigences, la conception du matériel et des logiciels, la simulation/vérification formelle et la génération du code final. Cette thèse propose une méthodologie de modélisation pour une conception sûre et sécurisée, basée sur la méthodologie SysML-Sec, qui implique de nouvelles méthodes de modélisation et de vérification. La modélisation de la sécurité est généralement effectuée dans les dernières phases de la conception. Cependant, la sécurité a un impact sur l'architecture/allocation; les décisions de partitionnement logiciel/matériel devraient être prises en fonction de la capacité de l'architecture à satisfaire aux exigences de sécurité. Cette thèse propose comment modéliser les mécanismes de sécurité et l'impact d'un attaquant dans la phase de partitionnement logiciel/matériel. Comme les protocoles de sécurité ont un impact négatif sur le performance d'un système, c'est important de mesurer l'utilisation des composants matériels et les temps de réponse du système. Des composants surchargés peuvent entraîner des performances imprévisibles et des retards indésirables. Cette thèse traite aussi des mesures de latence des événements critiques pour la sécurité, en se concentrant sur un exemple critique pour les véhicules autonomes : le freinage/réponse après la détection d'obstacles. Ainsi, nos contributions soutiennent la conception sûre et sécurisée des systèmes embarqués. / The presence of communicating embedded systems/IoTs in our daily lives have brought a myriad of benefits, from adding conveniences and entertainment, to improving the safety of our commutes and health care. However, the flaws and vulnerabilities in these devices expose their users to risks of property damage, monetary losses, and personal injury. For example, consumer vehicles, both connected and conventional, have succumbed to a variety of design flaws resulting in injuries and death. At the same time, as vehicles are increasingly connected (and in the near future, autonomous), researchers have demonstrated possible hacks on their sensors or internal control systems, including direct injection of messages on the CAN bus.Ensuring the safety of users or bystanders involves considering multiple factors. Conventional safety suggests that a system should not contain software and hardware flaws which can prevent it from correct function. `Safety of the Intended Function' involves avoiding the situations which the system or its components cannot handle, such as adverse extreme environmental conditions. Timing can be critical for certain real-time systems, as the system will need to respond to certain events, such as obstacle avoidance, within a set period to avoid dangerous situations. Finally, the safety of a system depends on its security. An attacker who can send custom commands or modify the software of the system may change its behavior and send it into various unsafe situations. Various safety and security countermeasures for embedded systems, especially connected vehicles, have been proposed. To place these countermeasures correctly requires methods of analyzing and verifying that the system meets all safety, security, and performance requirements, preferably at the early design phases to minimize costly re-work after production. This thesis discusses the safety and security considerations for embedded systems, in the context of Institut Vedecom's autonomous vehicle. Among the proposed approaches to ensure safety and security in embedded systems, Model-Driven Engineering is one such approach that covers the full design process, from elicitation of requirements, design of hardware and software, simulation/formal verification, and final code generation. This thesis proposes a modeling-based methodology for safe and secure design, based on the SysML-Sec Methodology, which involve new modeling and verification methods. Security modeling is generally performed in the last phases of design. However, security impacts the early architecture/mapping and HW/SW partitioning decisions should be made based on the ability of the architecture to satisfy security requirements. This thesis proposes how to model the security mechanisms and the impact of an attacker as relevant to the HW/SW Partitioning phase. As security protocols negatively impact performance, it becomes important to measure both the usage of hardware components and response times of the system. Overcharged components can result in unpredictable performance and undesired delays. This thesis also discusses latency measurements of safety-critical events, focusing on one critical to autonomous vehicles: braking as after obstacle detection. Together, these additions support the safe and secure design of embedded systems.

Cette thèse traite de la question du contrôle du mouvement d'engins non-holonomes et sous-actionnés évoluant de manière coordonnée et autonome. Les différentes approches considérées sont le suivi de trajectoire (Trajectory Tracking TT) et le suivi de chemin (path following PF). Une nouvelle méthode de contrôle est proposée. Dénommée Path-Tracking (PT), elle permet de cumuler les avantages de chacune des deux précédentes méthodes, permettant de cumuler la souplesse de la convergence induite par le suivi de chemin avec le respect des contraintes temporelles du suivi de trajectoire. L'étude et la réalisation de la commande démarre avec l'étude du cas du robot nonholonome de type Unicycle' et se base sur les principes de Lyapunov' et de Backstepping'. Ces premiers résultats sont ensuite étendus au cas d'un véhicule sous-marin sous-actionné de type AUV (Autonomous Underwater Vehicle'), en analysant les similarités cinématiques entre ces deux types de véhicules. De plus, il est montré la nécessité de prendre en compte les propriétés dynamiques du système de type AUV, et la condition de Stern dominancy' est établie de façon à garantir que le problème est bien posé et ainsi que la commande soit aisément calculable. Dans la cas d'un système marin sur-actionné, qui peut ainsi effectuer des tâches de navigation au long cours et de positionnement désiré (Station keeping'), une commande hybride est proposée. Enfin, la question du contrôle coordonné d'une formation d'engins marin est abordée. Les colutions de commande pour les taches de suivi de chemin coordonné (coordinated path following') et de coordinated path tracking' sont proposées. Les principes du leader-follower' et la méthode des structures virtuelles sont ainsi traitées dans un cadre de contrôle centralisé, et le cas décentralisé est traité en utilisant certains principes de théorie des graphes. / In this dissertation, the problems of motion control of underactuated autonomous vehicles are addressed,namely trajectory tracking (TT), path following (PF), and novelly proposed path tracking whichblending the PF and TT together in order to achieve smooth spatial convergence and tight temporalperformance as well.The control design is firstly started from the benchmark case of nonholonomic unicycle-type vehicles,where the Lyapunov-based design and backstepping technique are employed, and then it is extendedto the underactuated AUVs based on the similarity between the control inputs of two kinds of vehicles.Moreover, dealing with acceleration of side-slip angle is highlighted and stern-dominant property of AUVsis standing out in order to achieve well-posed control computation. Transitions of motion control fromunderactuated to fully actuated AUVs are also proposed.Finally, coordinated formation control of multiple autonomous vehicles are addressed in two-folds,including coordinated paths following and coordinated paths tracking, based on leader-follower andvirtual structure method respectively under the centralized control framework, and then solved underdecentralized control framework by resorting to algebraic graph theory.

Ces travaux de recherche portent sur la commande et la planification de trajectoires pour la navigation de véhicules autonomes. Ils se situent dans le cadre d'un projet très ambitieux lancé par le laboratoire Heudiasyc sur la conduite autonome à grande vitesses (vitesse longitudinale supérieure à 5m/s ~= 18 km/h). Pour proposer des solutions à cette problématique, après avoir réalisé une large recherche bibliographique sur la commande et la planification des trajectoires des véhicules autonomes, plusieurs contributions ont été présentées. En ce qui concerne la commande des véhicules autonomes, un contrôleur latéral par mode glissant d'ordre supérieur a été proposé. Compte tenu de la ressemblance implicite entre le mode glissant et le principe d'immersion et d'invariance (I&I), deux contrôleurs utilisant le principe d'immersion et d'invariance ont été proposés par la suite pour améliorer les performances par rapport au mode glissant. Le développement de ces nouveaux contrôleurs nous a permis de garantir une stabilité robuste pour tous les gains positifs des contrôleurs I&I. Ce résultat nous a conduit à étudier les propriétés intrinsèques du système. Une étude des propriétés de passivité du système a révélé des caractéristiques de passivité intéressantes. Par la suite, nous avons développé un contrôleur robuste basé sur la passivité. Concernant la navigation, nous avons développé deux algorithmes de navigation basés sur la méthode des tentacules. Ceci dans le but d'améliorer la méthode de base. Les résultats de la simulation montrent que les algorithmes donnent de bons résultats vis-à-vis des objectifs attendus d'évitement d'obstacles et de suivi de la trajectoire globale de référence. Les algorithmes de commande et de planification de trajectoires développés ont été validés en simulation hors-ligne avec des données réelles après avoir été testés sur un simulateur réaliste. / My research focuses on trajectory planning and control of autonomous vehicles. This work is a part of an extremely ambitious project launched by the Heudiasyc laboratory about autonomous driving at high speed (longitudinal speed greater to 5m/s ~= 18 km/h). With regard to the control of autonomous vehicles at high speed, a lateral controler using higher-order sliding mode control is proposed. Given the implicit similarity between the sliding mode and the principle of immersion and invariance, two controllers using the principle of immersion and invariance have been subsequently proposed in order to improve the performance with respect to the sliding mode. The development of these new controllers shows very strong robust stability which leads us to study the intrinsic properties of the system. A study of the passivity properties of the system is also crried out, showing some interesting characteristics of the system. Hence, a robust passivity-based controller has been developed. Regarding the navigation, we have developed two navigation algorithms based on the tentacles method. Subsequently, a feasibility study of trajectory generation strategies for high speed driving is conducted. The outcome of the simulation proved that the algorithms gave out good results with respect to the expected ogjectives of obstacle avoidance and global reference path following. Control and motion planning algorithms developed were validated offline by simulation with real data. They have been also tested on a realistic simulator.

Ces dernières années, les engins robotisés n’ont cessé d’améliorer leur autonomie dans le domaine de la décision. Désormais, pour ne citer que l’exemple de véhicules aériens, nombre de drones sont largement capables, sans intervention d’un opérateur humain, de décoller, suivre un itinéraire en activant divers capteurs à des moments précis, atterrir en un lieu spécifié, suivre une cible, patrouiller sur une zone... Une des étapes suivantes consiste à faire collaborer une équipe de véhicules autonomes, de nature hétérogène (aériens, terrestres, marins...) afin de leur permettre d’accomplir des missions plus complexes. L’aspect dynamique de l’environnement réel, la non disponibilité à tout instant des moyens de communication, la coordination nécessaire des véhicules,de conceptions parfois différentes, dans l’exécution de certaines parties d’un plan de mission, sont autant d’obstacles à surmonter. Ce travail tente non seulement d’apporter quelques éléments de réponse face à ces difficultés, mais consiste aussi en la mise en place concrète d’un superviseur haut niveau, capable de gérer l’exécution d’une mission par une équipe de véhicules autonomes hétérogènes, où le rôle de l’opérateur humain est volontairement réduit. Nous décrivons dans ce mémoire l’architecture distribuée que nous avons choisi de mettre en œuvre pour répondre à ce problème. Il s’agit d’un superviseur, réparti à bord des véhicules autonomes, interfacé avec leur architecture locale et en charge de l’exécution de la mission d’équipe. Nous nous intéressons également à la formalisation des connaissances nécessaires au déroulement de cette mission, afin d’améliorer l’interopérabilité des véhicules de l’équipe, mais aussi pour expliciter les relations entre modèles décisionnels abstraits et réalité d’exécution concrète. Le superviseur est capable de réagir face aux aléas qui vont se produire dans un environnement dynamique. Nous présentons ainsi dans un second temps les stratégies mises en place pour parvenir à les détecter au mieux, ainsi que la façon dont nous procédons pour réparer partiellement ou totalement le plan de mission initial, afin de remplir les objectifs initiaux. Nous nous basons notamment sur la nature hiérarchique du plan de mission, mais aussi sur celle de la structure de sous-équipes que nous proposons de construire. Enfin, nous présentons quelques résultats obtenus expérimentalement, sur des missions simulées et des scénarios réels, notamment ceux du Programme d’Etudes Amont Action dans lequel s’inscrivent ces travaux de thèse. / Many autonomous robots with specific control oriented architectures have already been developed worldwide.The advance of the work in this field has led researchers wonder for many years to what extent robots would be able to be integrated into a team consisting of autonomous and heterogeneous vehicles with complementary functionalities. However, robot cooperation in a real dynamic environment under unreliable communication conditions remains challenging, especially if these autonomous vehicles have different individual control architectures.In order to address this problem, we have designed a decision software architecture, distributed on each vehicle.This decision layer aims at managing execution and at increasing the fault tolerance of the global system. The mission plan is assumed to be hierarchically structured. ln case of failure detection, the plan repair is done as locally as possible, based on the hierarchical organization.This allows us to restrict message exchange only between the vehicles concerned by the repair process. Knowledge formalisation is also a part of the study permitting the improvement of interoperability between team members. It also provides relevant information all along mission execution, from initial planning computation to plan repair in this multirobot context. The feasibility of the system has been evaluated by simulations and real experiments thanks to the Action project (http://action.onera.fr/welcome/).

Le développement de véhicules autonomes capables de se déplacer sur les routes urbaines peuvent fournir des avantages importants en matière de réduction des accidents, en augmentant le confort et aussi, permettant des réductions de coûts. Les véhicules Intelligents par exemple fondent souvent leurs décisions sur les observations obtenues à partir de différents capteurs tels que les LIDAR, les GPS et les Caméras. En fait, les capteurs de la caméra ont reçu grande attention en raison du fait de qu’ils ne sont pas cher, facile à utiliser et fournissent des données avec de riches informations. Les environnements urbains représentent des scénarios intéressant mais aussi très difficile dans ce contexte, où le tracé de la route peut être très complexe,la présence d’objets tels que des arbres, des vélos, des voitures peuvent générer des observations partielles et aussi ces observations sont souvent bruyants ou même manquant en raison de occlusions complètes. Donc, le processus de perception par nature doit être capable de traiter des incertitudes dans la connaissance du monde autour de la voiture. Tandis que la navigation routière et la conduite autonome en utilisant une connaissance préalable de l’environnement ont démontré avec succès, la compréhension et la navigation des scénarios généraux du environnement urbain avec peu de connaissances reste un problème non résolu. Dans cette thèse, on analyse ce problème de perception pour la conduite dans les milieux urbains basée sur la connaissance de l’environnement pour aussi prendre des décisions dans la navigation autonome. Il est conçu un système de perception robotique, qui permettre aux voitures de se conduire sur les routes, sans la nécessité d’adapter l’infrastructure, sans exiger l’apprentissage précédente de l’environnement, et en tenant en compte la présence d’objets dynamiques tels que les voitures.On propose un nouveau procédé basé sur l’apprentissage par la machine pour extraire le contexte sémantique en utilisant une paire d’images stéréo qui est fusionnée dans une grille d’occupation évidentielle pour modéliser les incertitudes d’un environnement urbain inconnu,en utilisant la théorie de Dempster-Shafer. Pour prendre des décisions dans la planification des chemins, il est appliqué l’approche de tentacule virtuel pour générer les possibles chemins à partir du centre de référence de la voiture et sur cette base, deux nouvelles stratégies sont proposées. Première, une nouvelle stratégie pour sélectionner le chemin correct pour mieux éviter les obstacles et de suivre la tâche locale dans le contexte de la navigation hybride, et seconde, un nouveau contrôle en boucle fermée basé sur l’odométrie visuelle et tentacule virtuel est modélisée pour l’exécution du suivi de chemin. Finalement, un système complet automobile intégrant les modules de perception, de planification et de contrôle sont mis en place et validé expérimentalement dans des situations réelles en utilisant une voiture autonome expérimentale, où les résultats montrent que l’approche développée effectue avec succès une navigation locale fiable basée sur des capteurs de la caméra. / The development of autonomous vehicles capable of getting around on urban roads can provide important benefits in reducing accidents, in increasing life comfort and also in providing cost savings. Intelligent vehicles for example often base their decisions on observations obtained from various sensors such as LIDAR, GPS and Cameras. Actually, camera sensors have been receiving large attention due to they are cheap, easy to employ and provide rich data information. Inner-city environments represent an interesting but also very challenging scenario in this context,where the road layout may be very complex, the presence of objects such as trees, bicycles,cars might generate partial observations and also these observations are often noisy or even missing due to heavy occlusions. Thus, perception process by nature needs to be able to dea lwith uncertainties in the knowledge of the world around the car. While highway navigation and autonomous driving using a prior knowledge of the environment have been demonstrating successfully,understanding and navigating general inner-city scenarios with little prior knowledge remains an unsolved problem. In this thesis, this perception problem is analyzed for driving in the inner-city environments associated with the capacity to perform a safe displacement basedon decision-making process in autonomous navigation. It is designed a perception system that allows robotic-cars to drive autonomously on roads, with out the need to adapt the infrastructure,without requiring previous knowledge of the environment and considering the presenceof dynamic objects such as cars. It is proposed a novel method based on machine learning to extract the semantic context using a pair of stereo images, which is merged in an evidential grid to model the uncertainties of an unknown urban environment, applying the Dempster-Shafer theory. To make decisions in path-planning, it is applied the virtual tentacle approach to generate possible paths starting from ego-referenced car and based on it, two news strategies are proposed. First one, a new strategy to select the correct path to better avoid obstacles and tofollow the local task in the context of hybrid navigation, and second, a new closed loop control based on visual odometry and virtual tentacle is modeled to path-following execution. Finally, a complete automotive system integrating the perception, path-planning and control modules are implemented and experimentally validated in real situations using an experimental autonomous car, where the results show that the developed approach successfully performs a safe local navigation based on camera sensors.

La problématique générale de cette thèse, qui s'inscrit dans le contexte du projet européen InTraDE (Intelligent Transportation for Dynamic Environment), concerne la modélisation de systèmes de systèmes (SdS). Un SdS est un système composé d'une hiérarchie de systèmes autonomes présents à différents niveaux de représentation. Cette thèse répond au besoin d'outils de modélisation généralistes respectant les caractéristiques fondamentales des SdS, en proposant un formalisme multi-agents mullti-niveaux et les algorithmes qui assurent le respect de ces caractéristiques. L'utilisation d'un modèle multi-agents permet de profiter de l'autonomie naturelle des agents et l'aspect multi-niveaux de notre modèle permet aux entités modélisées de raisonner à propos de l'organisation hiérarchique du système en leur offrant la notion explicite de niveau. En plus de la modélisation des systèmes complexes, cette thèse aborde les problèmatique liées à leur simulation, en particulier, le fait que les ressources informatiques (mémoire et microprocesseur utilisés) nécessaires pour simuler avec précision de tels systèmes sont particulièrement importantes. Nous proposons ainsi une méthodologie pour tirer partie de la capacité des simulations multi-niveaux à produire un compromis entre la précision de la simulation et les ressources informatiques utilisées. / The main problematic of this thesis, which takes place in the context of the european project InTraDE (Intelligent Transportation for Dynamic Environment), deals with the modeling of systems of systems (SoS). A SoS is a system composed of a hierarchy of autonomous systems present in several representation levels. This thesis answers the need of generic modeling tools respecting the fundamental characteristics of SoS, proposing a multi-level multi-agent formalism and algorithms wich insure their respect. The use of a multi-agent model allows to take advantage of the natural autonomy of agents and the multi-level aspect of our model permits to modeled entities to reason about the organisational hierarchy of the system, carrying the explicit notion of level. Besides the modeling of complex systems, this thesis also deals with the problematic related to their simulations, particularly, the fact that computer resources (used memory and microchips) needed to simulate with precision such systems are truly important. We propose a methodology to benefit from the muli-level simulations capacity to produce compromise between the simulation precision and the used computer resources.

Avec l’augmentation progressive de la population dans les grandes villes, comme Paris, nous prévoyons d’ici 2050 une augmentation de 50% du trafic routier. En considérant les embouteillages et la pollution que cette augmentation va générer, on voit clairement la nécessité de nouveaux système de mobilité plus durables, comme le covoiturage, ou plus généralement toute la mobilité partagée. En parlant de mobilité partagée, ce n’est pas seulement le partage de trajets de personnes qui ont le même itinéraire au même temps, elle inclut aussi les marchandises.Cette thèse aborde le défi de la synchronisation des flux de passagers et de marchandises dans les systèmes de mobilité urbaine et elle vis à développer des méthodes d’optimisation pour que cette synchronisation dans la mobilité partagée soit faisable. Plus précisément, elle aborde les questions de recherche suivantes:*Q1: Quelles sont les variantes des systèmes de mobilité partagée et comment les optimiser?*Q2: Comment synchroniser les déplacements de personnes et quels gains cette synchronisation peut-elle générer?*Q3: Comment combiner les flux de passagers et de fret et quels sont les avantages attendus?*Q4: Quels sont les effets de l'incertitude sur la planification et l'exploitation de systèmes de mobilité partagée?Dans un premier temps, nous étudions les différentes variantes des systèmes de mobilité partagée et nous les classifions en fonction de leurs modèles, caractéristiques, approches de résolution et contexte d'application. En se basant sur cette revue de littérature, nous identifions deux problèmes de mobilité partagés, que nous considérons en détails dans cette thèse et nous développons des méthodes d'optimisation pour les résoudre.Pour synchroniser les flux de passagers, nous étudions un modèle de covoiturage en utilisant les véhicules autonomes, personnels et partagés, et des points de rencontre où la synchronisation entre passagers peut avoir lieu. Pour cela, une méthode heuristique en deux phases est proposée et une étude de cas sur la ville de New York est présentée.Ensuite, nous développons un modèle d’optimisation qui combine les flux de passagers et de marchandises dans une région urbaine. Le but de ce modèle est d’utiliser les capacités disponibles sur une ligne de transport fixe pour transporter les passagers et des robots transportant des petits colis à leurs destinations finales en considérant que la demande de passagers est stochastique. Les résultats obtenus montrent que les solutions proposées par ces deux modèles peuvent conduire à une meilleure utilisation des systèmes de transport dans les régions urbaines. / The rise of research into shared mobility systems reflects emerging challenges, such as rising urbanization rates, traffic congestion, oil prices and environmental concerns. The operations research community has turned towards more sharable and sustainable systems of transportation. Although shared mobility comes with many benefits, it has some challenges that are restricting its widespread adoption. More research is thus needed towards developing new shared mobility systems so that a better use of the available transportation assets can be obtained.This thesis aims at developing efficient models and optimization approaches for synchronizing people and freight flows in an urban environment. As such, the following research questions are addressed throughout the thesis:*Q1: What are the variants of shared mobility systems and how to optimize them?*Q2: How can people trips be synchronized and what gains can this synchronization yields?*Q3: How can people and freight flows be combined and what are the intended benefits?*Q4: What impacts uncertainty can have on planning and operating shared mobility systems?First, we review different variants of the shared mobility problem where either (i) travelers share their rides, or (ii) the transportation of passengers and freight is combined. We then classify these variants according to their models, solution approaches and application context and We provide a comprehensive overview of the recently published papers and case studies. Based on this review, we identify two shared mobility problems, which we study further in this thesis.Second, we study a ridesharing problem where individually-owned and on-demand autonomous vehicles (AVs) are used for transporting passengers and a set of meeting points is used for synchronizing their trips. We develop a two-phase method (a pre-processing algorithm and a matching optimization problem) for assessing the sharing potential of different AV ownership models, and we evaluate them on a case study for New York City.Then, we present a model that integrates freight deliveries to a scheduled line for people transportation where passengers demand, and thus the available capacity for transporting freight, is assumed to be stochastic. We model this problem as a two-stage stochastic problem and we provide a MIP formulation and a sample average approximation (SAA) method along with an Adaptive Large Neighborhood Search (ALNS) algorithm to solve it. We then analyze the proposed approach as well as the impacts of stochastic passengers demand on such integrated system on a computational study.Finally, we summarize the key findings, highlight the main challenges facing shared mobility systems, and suggest potential directions for future research.