Veículo autônomo inteligente (ou apenas veículo autônomo VA) é um tipo de sistema embarcado que integra componentes físicos (hardware) e computacionais (software). Sua principal característica é a capacidade de locomoção e de operação de modo semi ou completamente autônomo. A autonomia cresce com a capacidade de percepção e de deslocamento no ambiente, robustez e capacidade de resolver e executar tarefas lidando com as mais diversas situações (inteligência). Veículos autônomos representam um tópico de pesquisa importante e que tem impacto direto na sociedade. No entanto, à medida que esse campo avança alguns problemas secundários aparecem como, por exemplo, como saber se esses sistemas foram suficientemente testados. Uma das fases do teste de um VA é o teste de campo, em que o veículo é levado para um ambiente pouco controlado e deve executar livremente a missão para a qual foi programado. Ele é geralmente utilizado para garantir que os veículos autônomos mostrem o comportamento desejado, mas nenhuma informação sobre a estrutura do código é utilizada. Pode ocorrer que o veículo (hardware e software) passou no teste de campo, mas trechos importantes do código nunca tenham sido executados. Durante o teste de campo, os dados de entrada são coletados em logs que podem ser posteriormente analisados para avaliar os resultados do teste e para realizar outros tipos de teste offline. Esta tese apresenta um conjunto de propostas para apoiar a análise do teste de campo do ponto de vista do teste estrutural. A abordagem é composta por um modelo de classes no contexto do teste de campo, uma ferramenta que implementa esse modelo e um algoritmo genético para geração de dados de teste. Apresenta também heurísticas para reduzir o conjunto de dados contidos em um log sem diminuir substancialmente a cobertura obtida e estratégias de combinação e mutação que são usadas no algoritmo. Estudos de caso foram conduzidos para avaliar as heurísticas e estratégias e são também apresentados e discutidos. / Intelligent autonomous vehicle (or just autonomous vehicle - AV) is a type of embedded system that integrates physical (hardware) and computational (software) components. Its main feature is the ability to move and operate partially or fully autonomously. Autonomy grows with the ability to perceive and move within the environment, robustness and ability to solve and perform tasks dealing with different situations (intelligence). Autonomous vehicles represent an important research topic that has a direct impact on society. However, as this field progresses some secondary problems arise, such as how to know if these systems have been sufficiently tested. One of the testing phases of an AV is the field testing, where the vehicle is taken to a controlled environment and it should execute the mission for which it was programed freely. It is generally used to ensure that autonomous vehicles show the intended behavior, but it usually does not take into consideration the code structure. The vehicle (hardware and software) could pass the field testing, but important parts of the code may never have been executed. During the field testing, the input data are collected in logs that can be further analyzed to evaluate the test results and to perform other types of offline tests. This thesis presents a set of proposals to support the analysis of field testing from the point of view of the structural testing. The approach is composed of a class model in the context of the field testing, a tool that implements this model and a genetic algorithm to generate test data. It also shows heuristics to reduce the data set contained in a log without reducing substantially the coverage obtained and combination and mutation strategies that are used in the algorithm. Case studies have been conducted to evaluate the heuristics and strategies, and are also presented and discussed.

Veículo autônomo inteligente (ou apenas veículo autônomo VA) é um tipo de sistema embarcado que integra componentes físicos (hardware) e computacionais (software). Sua principal característica é a capacidade de locomoção e de operação de modo semi ou completamente autônomo. A autonomia cresce com a capacidade de percepção e de deslocamento no ambiente, robustez e capacidade de resolver e executar tarefas lidando com as mais diversas situações (inteligência). Veículos autônomos representam um tópico de pesquisa importante e que tem impacto direto na sociedade. No entanto, à medida que esse campo avança alguns problemas secundários aparecem como, por exemplo, como saber se esses sistemas foram suficientemente testados. Uma das fases do teste de um VA é o teste de campo, em que o veículo é levado para um ambiente pouco controlado e deve executar livremente a missão para a qual foi programado. Ele é geralmente utilizado para garantir que os veículos autônomos mostrem o comportamento desejado, mas nenhuma informação sobre a estrutura do código é utilizada. Pode ocorrer que o veículo (hardware e software) passou no teste de campo, mas trechos importantes do código nunca tenham sido executados. Durante o teste de campo, os dados de entrada são coletados em logs que podem ser posteriormente analisados para avaliar os resultados do teste e para realizar outros tipos de teste offline. Esta tese apresenta um conjunto de propostas para apoiar a análise do teste de campo do ponto de vista do teste estrutural. A abordagem é composta por um modelo de classes no contexto do teste de campo, uma ferramenta que implementa esse modelo e um algoritmo genético para geração de dados de teste. Apresenta também heurísticas para reduzir o conjunto de dados contidos em um log sem diminuir substancialmente a cobertura obtida e estratégias de combinação e mutação que são usadas no algoritmo. Estudos de caso foram conduzidos para avaliar as heurísticas e estratégias e são também apresentados e discutidos. / Intelligent autonomous vehicle (or just autonomous vehicle - AV) is a type of embedded system that integrates physical (hardware) and computational (software) components. Its main feature is the ability to move and operate partially or fully autonomously. Autonomy grows with the ability to perceive and move within the environment, robustness and ability to solve and perform tasks dealing with different situations (intelligence). Autonomous vehicles represent an important research topic that has a direct impact on society. However, as this field progresses some secondary problems arise, such as how to know if these systems have been sufficiently tested. One of the testing phases of an AV is the field testing, where the vehicle is taken to a controlled environment and it should execute the mission for which it was programed freely. It is generally used to ensure that autonomous vehicles show the intended behavior, but it usually does not take into consideration the code structure. The vehicle (hardware and software) could pass the field testing, but important parts of the code may never have been executed. During the field testing, the input data are collected in logs that can be further analyzed to evaluate the test results and to perform other types of offline tests. This thesis presents a set of proposals to support the analysis of field testing from the point of view of the structural testing. The approach is composed of a class model in the context of the field testing, a tool that implements this model and a genetic algorithm to generate test data. It also shows heuristics to reduce the data set contained in a log without reducing substantially the coverage obtained and combination and mutation strategies that are used in the algorithm. Case studies have been conducted to evaluate the heuristics and strategies, and are also presented and discussed.

Veículos autônomos são objeto de crescente estudo em todo o mundo. Face à Engenharia de Transportes, é tema que deve provocar uma revolução nas próximas décadas, pois é concreta a tendência ao uso destes veículos na sociedade. Podem se citar como grandes beneficiados a segurança, a logística, o fluxo de trânsito, o meio ambiente e também os portadores de deficiências. Com o objetivo de fazer um veículo atingir um ponto com coordenadas conhecidas de forma autônoma, uma plataforma veicular terrestre em escala foi utilizada, a qual recebeu um sistema computacional micro controlado e tecnologias para proporcionar mobilidade através de motores elétricos para tração e servo-motores para direcionamento; posicionamento por satélite através de receptor GNSS e bússola eletrônica para orientação; sensoriamento por ultra-som para evitar colisões; e comunicação sem fio, a fim de se realizar remotamente monitoramento e instrução em tempo real através de um aplicativo para computador pessoal (PC). Foi desenvolvido um algoritmo de navegação que, fazendo uso dos recursos disponíveis, proporcionou autonomia ao veículo, de forma a navegar para pontos com coordenadas conhecidas sem controle humano. Os testes realizados visaram avaliar a capacidade de autonomia do veículo, a trajetória de navegação realizada e a acurácia de chegada aos pontos de destino. O veículo foi capaz de atingir os pontos em todos os testes realizados, sendo considerado funcional seu algoritmo de navegação e também os sistemas de mobilidade, posicionamento, sensoriamento e comunicação. / Autonomous vehicles are an on growing research target around the world. Face to Transports Engineering, it is a subject which is expected to make a revolution on the next decades. The great benefits are on security, logistic, traffic flow, environment and handicap. With the goal to make a vehicle navigate autonomously to known geodesics coordinates, a reduced scale terrestrial vehicular platform was used. This platform received a microcontrolled computational system and technologies to give it mobility, through electrical motors for traction and servo-motors for direction; satellite positioning, through a GNSS receiver and magnetic compass for orientation; ultrasound sensing in order to avoid collision; and wireless communication, in order to do remote monitoring and instruction at real time through a PC application. It was developed a navigation algorithm which, from the available resources, gave autonomy to the vehicle, in order to navigate to known geodesics coordinates without human control. The test set was intended to evaluate the autonomy capacity of the vehicle, the navigation trajectory that was done and the arrival accuracy to the destination points. The vehicle reached the destination points on all tests done, being evaluated as functional its navigation algorithm and also the mobility, positioning, sensing and communication systems.

Vehicular communication technologies, also called Vehicle-to-everything (V2X) systems, are expected to become common in the future, providing better effciency and safety in transportation. This envisioned large-scale deployment, however, critically depends on addressing some requirements. For example, to prevent abuse by drivers, messages exchanged among authorized vehicles must be authenticated, which implies the need of a Vehicular Public Key Infrastructure (VPKI). Unlike traditional Public Key Infrastructures (PKIs), though, VPKIs are also expected to preserve the drivers\' privacy; in particular, neither eavesdroppers or system entities should be able to easily identify or track the movements of vehicles using non-revoked certificates. One promising VPKI solution, which copes with such requirements and is among the main candidates for standardization in the United States and Europe, is Security Credential Management System (SCMS). In this thesis, aiming to address shortcomings identified in the SCMS architecture, three main contributions are provided. First, a mechanism for improving the exibility of revocation is described, allowing certificates and their owner\'s privacy to be temporarily revoked in an eficient manner; this functionality is useful, for example, in case a software malfunction is detected and a patch still needs to be released. Second, two birthday attacks against SCMS\'s certificate revocation process are detailed and then fixed, thus preventing the system\'s security degradation with the number of issued and revoked certificates. Finally, a method is proposed which simplifies SCMS\'s system architecture, removing the need for the so-called Linkage Authorities (LAs); this not only reduces the cost for SCMS\'s deployment, but also improves its security and privacy due to the removal of one potential point of failure/collusion. / Espera-se que as tecnologias de comunicação veicular, também chamadas de sistemas V2X (Vehicle-to-everything, em inglês), se tornem comuns no futuro, proporcionando melhor eficiência e segurança no transporte. Essa implantação planejada em larga escala, no entanto, depende criticamente de abordar alguns requisitos. Por exemplo, para prevenir abusos por motoristas, mensagens trocadas entre veículos autorizados devem ser autenticadas, o que implica na necessidade de uma Infraestrutura de Chaves Públicas Veicular (VPKI, do inglês, Vehicular Public Key Infrastructure). Diferente de Infraestruturas de Chaves Públicas (ICPs) tradicionais, porém, é esperado também que as VPKIs preservem a privacidade dos motoristas; em particular, que nem bisbilhoteiros, nem entidades do sistema possam identificar veículos ou rastrear seus movimentos facilmente utilizando certificados n~ao revogados. Uma solução promissora para VPKI, que lida com tais requisitos e está entre os principais candidatos para padronização nos Estados Unidos e na Europa é o Sistema de gerenciamento de credenciais de segurança (SCMS, do inglês, Security Credential Management System). Nessa dissertação, com o objetivo de abordar deficiências identificadas na arquitetura do SCMS, são fornecidas três contribuições principais. Primeiro, um mecanismo para melhorar a exibilidade do processo de revogação é descrito, permitindo que certificados e a privacidade de seus proprietários sejam revogados temporariamente de maneira eficiente; essa funcionalidade é útil, por exemplo, em caso de uma falha de software ser detectada e ser necessário a liberação de uma correção. Em segundo lugar, dois ataques do aniversário contra o processo de revogação do SCMS são detalhados e posteriormente corrigidos, assim, prevenindo a degradação de segurança do sistema com o número de certificados emitidos e revogados. Por fim, é proposto um método que simplifica a arquitetura do sistema SCMS, removendo a necessidade das chamadas Autoridades de Ligação (LAs, do inglês, Linkage Authorites); o que não só reduz o custo de implantação do SCMS, mas também aumenta sua segurança e privacidade devido à remoção de um potencial ponto de falha/conluio.

O desenvolvimento tecnológico e o elevado investimento em tecnologias de veículos \"inteligentes\" vão, provavelmente, transformar veículos autônomos em realidade em alguns anos. A inserção de inteligência em veículos rodoviários visa obter uma redução nos acidentes de trânsito devido à mitigação de erros cometidos por motoristas humanos, graças à sua substituição por máquinas. Além disso, os veículos autônomos devem ser capazes de mitigar os perigos existentes nos sistemas de transporte rodoviário, sem criar novos riscos. Assim, é importante a pesquisa de como garantir a segurança crítica (safety) nesse novo cenário. Algumas pesquisas nesta área já vêm sendo desenvolvidas, porém elas não mostram como projetar um sistema veicular autônomo no qual se possa aplicar métodos já existentes para analisar e garantir níveis de segurança adequados em tais veículos. Frente a isso, este trabalho de mestrado desenvolve uma proposta que visa facilitar o desenvolvimento e a análise dessa nova classe de veículos, além de assegurar níveis de segurança crítica adequados aos veículos autônomos. A proposta é representada por um sistema denominado Controle Veicular Autônomo (CVA), o qual foi desenvolvido sob o conceito de Sistemas de Transporte Inteligentes (STI). O sistema CVA é formado por duas camadas, uma de operação (Operação Veicular Autônoma - OVA), responsável pela condução do veículo e outra de proteção (Proteção Veicular Autônoma - PVA). A ideia principal é que se utilize a camada PVA para a prevenção de acidentes. A camada PVA foi desenvolvida e testada em um ambiente de simulação, considerando um Estudo de Caso. Observou-se que, conforme previsto, o sistema CVA, por possuir uma camada voltada para a proteção veicular, conseguiu evitar diversas situações de colisões entre veículos. / Technological development and the massive investment in \'intelligent\' vehicle technologies are likely to turn autonomous vehicles into reality in a few years. The insertion intelligence in road vehicles aims to obtain a reduction in traffic accidents due to the mitigation of errors committed by human drivers, thanks to their replacement by machines. In addition, autonomous vehicles should be able to mitigate hazards in road transportation systems without creating new risks. Thus, It is important to study how to ensure safety in this new scenario. Some research in this area has already been developed, but they do not show how to design properly an autonomous vehicle system in which existing methods can be applied to analyze and guarantee adequate levels of safety in such vehicles. As a result, this master\'s work develops a proposal that aims to facilitate the development and analysis of this new class of vehicles, in addition to ensuring levels of critical safety appropriate to autonomous vehicles. The proposal is represented by a system called Autonomous Vehicle Control (CVA), which was developed under the concept of Intelligent Transport Systems (STI). The CVA system is formed by two layers, one of operation (Autonomous Vehicle Operation - OVA), responsible for the driving of the vehicle and another one of protection (Autonomous Vehicle Protection - PVA). The main idea is to use the PVA layer for the prevention of accidents. The PVA layer was developed and tested in a simulation environment, considering a Case Study. It was observed that, as predicted, the CVA system, because it has a layer aimed at vehicular protection, was able to avoid several collision situations between vehicles.

O desenvolvimento tecnológico e o elevado investimento em tecnologias de veículos \"inteligentes\" vão, provavelmente, transformar veículos autônomos em realidade em alguns anos. A inserção de inteligência em veículos rodoviários visa obter uma redução nos acidentes de trânsito devido à mitigação de erros cometidos por motoristas humanos, graças à sua substituição por máquinas. Além disso, os veículos autônomos devem ser capazes de mitigar os perigos existentes nos sistemas de transporte rodoviário, sem criar novos riscos. Assim, é importante a pesquisa de como garantir a segurança crítica (safety) nesse novo cenário. Algumas pesquisas nesta área já vêm sendo desenvolvidas, porém elas não mostram como projetar um sistema veicular autônomo no qual se possa aplicar métodos já existentes para analisar e garantir níveis de segurança adequados em tais veículos. Frente a isso, este trabalho de mestrado desenvolve uma proposta que visa facilitar o desenvolvimento e a análise dessa nova classe de veículos, além de assegurar níveis de segurança crítica adequados aos veículos autônomos. A proposta é representada por um sistema denominado Controle Veicular Autônomo (CVA), o qual foi desenvolvido sob o conceito de Sistemas de Transporte Inteligentes (STI). O sistema CVA é formado por duas camadas, uma de operação (Operação Veicular Autônoma - OVA), responsável pela condução do veículo e outra de proteção (Proteção Veicular Autônoma - PVA). A ideia principal é que se utilize a camada PVA para a prevenção de acidentes. A camada PVA foi desenvolvida e testada em um ambiente de simulação, considerando um Estudo de Caso. Observou-se que, conforme previsto, o sistema CVA, por possuir uma camada voltada para a proteção veicular, conseguiu evitar diversas situações de colisões entre veículos. / Technological development and the massive investment in \'intelligent\' vehicle technologies are likely to turn autonomous vehicles into reality in a few years. The insertion intelligence in road vehicles aims to obtain a reduction in traffic accidents due to the mitigation of errors committed by human drivers, thanks to their replacement by machines. In addition, autonomous vehicles should be able to mitigate hazards in road transportation systems without creating new risks. Thus, It is important to study how to ensure safety in this new scenario. Some research in this area has already been developed, but they do not show how to design properly an autonomous vehicle system in which existing methods can be applied to analyze and guarantee adequate levels of safety in such vehicles. As a result, this master\'s work develops a proposal that aims to facilitate the development and analysis of this new class of vehicles, in addition to ensuring levels of critical safety appropriate to autonomous vehicles. The proposal is represented by a system called Autonomous Vehicle Control (CVA), which was developed under the concept of Intelligent Transport Systems (STI). The CVA system is formed by two layers, one of operation (Autonomous Vehicle Operation - OVA), responsible for the driving of the vehicle and another one of protection (Autonomous Vehicle Protection - PVA). The main idea is to use the PVA layer for the prevention of accidents. The PVA layer was developed and tested in a simulation environment, considering a Case Study. It was observed that, as predicted, the CVA system, because it has a layer aimed at vehicular protection, was able to avoid several collision situations between vehicles.

Veículos autônomos são objeto de crescente estudo em todo o mundo. Face à Engenharia de Transportes, é tema que deve provocar uma revolução nas próximas décadas, pois é concreta a tendência ao uso destes veículos na sociedade. Podem se citar como grandes beneficiados a segurança, a logística, o fluxo de trânsito, o meio ambiente e também os portadores de deficiências. Com o objetivo de fazer um veículo atingir um ponto com coordenadas conhecidas de forma autônoma, uma plataforma veicular terrestre em escala foi utilizada, a qual recebeu um sistema computacional micro controlado e tecnologias para proporcionar mobilidade através de motores elétricos para tração e servo-motores para direcionamento; posicionamento por satélite através de receptor GNSS e bússola eletrônica para orientação; sensoriamento por ultra-som para evitar colisões; e comunicação sem fio, a fim de se realizar remotamente monitoramento e instrução em tempo real através de um aplicativo para computador pessoal (PC). Foi desenvolvido um algoritmo de navegação que, fazendo uso dos recursos disponíveis, proporcionou autonomia ao veículo, de forma a navegar para pontos com coordenadas conhecidas sem controle humano. Os testes realizados visaram avaliar a capacidade de autonomia do veículo, a trajetória de navegação realizada e a acurácia de chegada aos pontos de destino. O veículo foi capaz de atingir os pontos em todos os testes realizados, sendo considerado funcional seu algoritmo de navegação e também os sistemas de mobilidade, posicionamento, sensoriamento e comunicação. / Autonomous vehicles are an on growing research target around the world. Face to Transports Engineering, it is a subject which is expected to make a revolution on the next decades. The great benefits are on security, logistic, traffic flow, environment and handicap. With the goal to make a vehicle navigate autonomously to known geodesics coordinates, a reduced scale terrestrial vehicular platform was used. This platform received a microcontrolled computational system and technologies to give it mobility, through electrical motors for traction and servo-motors for direction; satellite positioning, through a GNSS receiver and magnetic compass for orientation; ultrasound sensing in order to avoid collision; and wireless communication, in order to do remote monitoring and instruction at real time through a PC application. It was developed a navigation algorithm which, from the available resources, gave autonomy to the vehicle, in order to navigate to known geodesics coordinates without human control. The test set was intended to evaluate the autonomy capacity of the vehicle, the navigation trajectory that was done and the arrival accuracy to the destination points. The vehicle reached the destination points on all tests done, being evaluated as functional its navigation algorithm and also the mobility, positioning, sensing and communication systems.

Orientadores: Douglas Eduardo Zampieri, Isabelle Fantoni Coichot / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-19T04:14:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MirandaNeto_Arthurde_D.pdf: 4965049 bytes, checksum: 6d16ee5315ee6bbbfd893b534fde6729 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Esta tese aborda o problema de evitamento de obstáculos para plataformas terrestres semie autônomas em ambientes dinâmicos e desconhecidos. Baseado num sistema monocular, propõe-se um conjunto de ferramentas que monitoram continuamente a estrada a frente do veículo, provendo-o de informações adequadas em tempo real. A partir de um algoritmo robusto de detecção da linha do horizonte é possível investigar dinamicamente somente a porção da estrada a frente do veículo, a fim de determinar a área de navegação, e da deteção de obstáculos. Uma área de navegação livre de obstáculos é então representa a partir de uma imagem multimodal 2D. Esta representação permite que um nível de segurança possa ser selecionado de acordo com o ambiente e o contexto de operação. A fim de reduzir o custo computacional, um método automático para descarte de imagens é proposto. Levando-se em conta a coerência temporal entre consecutivas imagens, uma nova metodologia de gerenciamento de energia (Dynamic Power Management) é aplicada ao sistema de percepção visual a fim de otimizar o consumo de energia. Estas propostas foram testadas em diferentes tipos de ambientes, e incluem a deteção da área de navegação, navegação reativa e estimação do risco de colisão. Uma característica das metodologias apresentadas é a independência em relação ao sistema de aquisição de imagem e do próprio veículo. Este sistema de percepção em tempo real foi avaliado a partir de diferentes bancos de testes e também a partir de dados reais obtidos por diferentes plataformas inteligentes. Em tarefas realizadas com uma plataforma semi-autônoma, testes foram conduzidos em velocidades acima de 100 Km/h. A partir de um sistema em malha aberta, deslocamentos reativos autônomos foram realizados com sucesso / Resumé: Les études développées dans ce projet doctoral ont concerné deux problématiques actuelles dans le domaine des systèmes robotiques pour la mobilité terrestre: premièrement, le problème associé à la navigation autonome et (semi)-autonome des véhicules terrestres dans un environnement inconnu ou partiellement connu. Cela constitue un enjeu qui prend de l'importance sur plusieurs fronts, notamment dans le domaine militaire. Récemment, l'agence DARPA1 aux États-Unis a soutenu plusieurs challenges sur cette problématique robotique; deuxièmement, le développement de systèmes d'assistance à la conduite basés sur la vision par ordinateur. Les acteurs de l'industrie automobile s'intéressent de plus en plus au développement de tels systèmes afin de rendre leurs produits plus sûrs et plus confortables à toutes conditions climatiques ou de terrain. De plus, grâce à l'électronique embarquée et à l'utilisation des systèmes visuels, une interaction avec l'environnement est possible, rendant les routes et les villes plus sûres pour les conducteurs et les piétons. L'objectif principal de ce projet doctoral a été le développement de méthodologies qui permettent à des systèmes mobiles robotisés de naviguer de manière autonome dans un environnement inconnu ou partiellement connu, basées sur la perception visuelle fournie par un système de vision monoculaire embarqué. Un véhicule robotisé qui doit effectuer des tâches précises dans un environnement inconnu, doit avoir la faculté de percevoir son environnement proche et avoir un degré minimum d'interaction avec celui-ci. Nous avons proposé un système de vision embarquée préliminaire, où le temps de traitement de l'information (point critique dans des systèmes de vision utilisés en temps-réel) est optimisé par une méthode d'identification et de rejet d'informations redondantes. Suite à ces résultats, on a proposé une étude innovante par rapport à l'état de l'art en ce qui concerne la gestion énergétique du système de vision embarqué, également pour le calcul du temps de collision à partir d'images monoculaires. Ainsi, nous proposons le développement des travaux en étudiant une méthodologie robuste et efficace (utile en temps-réel) pour la détection de la route et l'extraction de primitives d'intérêts appliquée à la navigation autonome des véhicules terrestres. Nous présentons des résultats dans un environnement réel, dynamique et inconnu. Afin d'évaluer la performance de l'algorithme proposé, nous avons utilisé un banc d'essai urbain et réel. Pour la détection de la route et afin d'éviter les obstacles, les résultats sont présents en utilisant un véhicule réel afin d'évaluer la performance de l'algorithme dans un déplacement autonome. Cette Thèse de Doctorat a été réalisée à partir d'un accord de cotutelle entre l' Université de Campinas (UNICAMP) et l'Université de Technologie de Compiègne (UTC), sous la direction du Professeur Docteur Douglas Eduardo ZAMPIERI, Faculté de Génie Mécanique, UNICAMP, Campinas, Brésil, et Docteur Isabelle FANTONI-COICHOT du Laboratoire HEUDIASYC UTC, Compiègne, France. Cette thèse a été soutenue le 26 août 2011 à la Faculté de Génie Mécanique, UNICAMP, devant un jury composé des Professeurs suivants / Abstract: This thesis addresses the problem of obstacle avoidance for semi- and autonomous terrestrial platforms in dynamic and unknown environments. Based on monocular vision, it proposes a set of tools that continuously monitors the way forward, proving appropriate road informations in real time. A horizon finding algorithm was developed to sky removal. This algorithm generates the region of interest from a dynamic threshold search method, allowing to dynamically investigate only a small portion of the image ahead of the vehicle, in order to road and obstacle detection. A free-navigable area is therefore represented from a multimodal 2D drivability road image. This multimodal result enables that a level of safety can be selected according to the environment and operational context. In order to reduce processing time, this thesis also proposes an automatic image discarding criteria. Taking into account the temporal coherence between consecutive frames, a new Dynamic Power Management methodology is proposed and applied to a robotic visual machine perception, which included a new environment observer method to optimize energy consumption used by a visual machine. This proposal was tested in different types of image texture (road surfaces), which includes free-area detection, reactive navigation and time-to-collision estimation. A remarkable characteristic of these methodologies is its independence of the image acquiring system and of the robot itself. This real-time perception system has been evaluated from different test-banks and also from real data obtained by two intelligent platforms. In semi-autonomous tasks, tests were conducted at speeds above 100 Km/h. Autonomous displacements were also carried out successfully. The algorithms presented here showed an interesting robustness / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Paulo Roberto Gardel Kurka / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-28T12:48:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DelgadoVargas_JaimeArmando_D.pdf: 6984853 bytes, checksum: 4647b847de6d3abb110923a021a6f376 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A localização de robôs móveis é foco de estudo em diferentes grupos de pesquisa ao redor do mundo. Robôs móveis são equipados com diferentes sensores, utilizando uma variedade de métodos de localização para as tarefas de exploração de ambientes desconhecidos ou para seguir uma trajetória predefinida. Este trabalho apresenta a investigação e implementação de um método robusto e eficiente da estimativa de movimento utilizando visão computacional, conhecido como odometria visual. Também, é estudada a fusão de estimativas de movimento de diferentes sensores através da técnica do filtro de Kalman. Neste trabalho utilizam-se câmeras estereoscópicas com lentes fixas de 9mm e simulações do movimento de uma câmera no ambiente 3D-Max. A validação experimental dos algoritmos é feita em uma plataforma robótica tipo Seekur Jr equipada com Lasers, GPS, encoders e câmeras estereoscópicas. O movimento do robô é estimado pelos diferentes sensores gerando redundância de localização Os algoritmos de odometria visual são validados em ambientes de interiores e exteriores. A velocidade de processamento dos métodos é comparada usando em diferentes processadores de tipo CPU e GPU, indicando a possibilidade um sistema de realização de odometria visual em tempo real / Abstract: The localization of mobile robots problem is addressed to a number of research groups around the world. Mobile robots are equipped with different sensors, using a variety of methods of localization in the exploration of unknown environments or following a pre-defined trajectory. The present work investigates and implements a robust method of estimation of movement using computer vision, known as visual odometry. The work investigates also the results of fusion of the estimates of movement obtained from different sensors, using the Kalman filter technique. Visual odometry uses stereoscopic vision techniques with real time computing in graphic processing units (GPU). Stereoscopic cameras with fixed 9mm lens and movement simulations in the 3d-Max computer environment are used in the present work. Experimental validation of the visual odometry algorithms is made in a Sekur Jr mobile robot platform, equipped with lasers, GPS, wheel encoders and stereoscopic cameras. Movements of the robot are estimated from the different sensors, yielding redundant localization information. The information from such sensors are fused together through the Kalman filter. Visual odometry algorithms are tested in indoors and outdoors navigation experiments. Processing speed of the methods is compared using different processing units: CPU and GPU, indicating the possibility of performing real time visual odometry / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

The Linear Quadratic Regulator (LQR) is an optimal control approach which aims to drive states of a linear system to its origin through the minimization of a quadratic cost functional. Such an approach has been widely successful for both theoretical and practical applications. However, when such controllers are subject to uncertainties, optimal closed-loop performance cannot be obtained since robustness properties are no longer guaranteed. Guaranteed Cost Controllers (GCC) presents robust asymptotic stability and provides a guaranteed upper bound to a quadratic cost function. Such method addresses the lack of performance guarantees of the LQR. Meanwhile, Model Predictive Control (MPC) is a class of optimization-based control algorithms that use an explicit model of the controlled system to predict its future states. The MPC can be as a generalization of the LQR for constrained linear systems. Therefore, it equally suffers from a lack of robustness guarantees when the system is subject to uncertainties. Robust MPC (RMPC) approaches were proposed to address MPCs poor closed-loop performance subject to uncertainties. Its objective is to obtain a control input sequence that simultaneously minimizes a cost function and guarantees the feasibility of system states and control inputs, for a system subject to the worst-case disturbance within an uncertainty set. Autonomous vehicles have gained increasing interest from both the industry and research communities in recent years. An essential aspect in the design of automotive control systems is to ensure the controller is stable and has acceptable performance within the entire operational envelope which it is designed to operate. In the case of autonomous vehicles, where there is no human driver as a fallback, it is of utmost importance to ensure the safe operations of the control system and its capability to avoid saturating the handling limits of the vehicle. In this thesis, we propose Guaranteed Cost Controller approaches for both unconstrained and constrained linear systems subject to multiplicative structured norm-bounded uncertainties and present the application of such a controller to the lateral control problem of autonomous vehicles up to the tire saturation limits. / O Regulador Quadrático Linear (Linear Quadratic Regulator, LQR) é uma abordagem de controle ótimo que visa conduzir estados de um sistema linear à sua origem através da minimização de um custo funcional quadrático. Tal abordagem tem sido amplamente bem sucedida para aplicações teóricas e práticas. No entanto, não é possível obter o desempenho ótimo de malha fechada quando esses controladores são sujeitos a incertezas no sistema em decorrência de suas propriedades de robustez não serem garantidas. Controladores de Custo Garantido (Guaranteed Cost Control, GCC) visam abordar a falta de garantia de desempenho do LQR, neste caso. Esses controladores apresentam estabilidade assintótica robusta e fornecem um custo garantido de pior caso para uma função de custo quadrático. O Controle Preditivo de Modelo (Model Predictive Control, MPC) é uma classe de algoritmos de controle baseados em otimização que usa um modelo explícito do sistema controlado para prever seus estados futuros. Uma possível interpretação do MPC é uma generalização do LQR para sistemas lineares com restrições de estado e entrada de controle. Portanto, essa abordagem sofre igualmente da falta de garantias de robustez quando o sistema é sujeito a incertezas. As abordagens de MPC Robustas (Robust MPC, RMPC) foram propostas para abordar o desempenho de malha fechada do MPC sujeito a incertezas no sistema. Seu objetivo é obter uma sequência de entrada de controle que minimize simultaneamente uma função de custo e garanta que os estados do sistema e as entradas de controle estão contidos dentro das restrições para um sistema sujeito à pior das perturbações dentro de um conjunto admissível de incertezas. Pesquisas voltadas para veículos autônomos ganharam crescente interesse nos últimos anos, tanto da indústria automobilística quanto da comunidade acadêmica. Um aspecto essencial no projeto de sistemas de controle automotivo é a garantia de estabilidade e desempenho do controlador dentro de todo o envelope operacional ao qual ele foi projetado para operar. No caso de veículos autônomos, onde não há motoristas humanos para lidar com casos de falha do sistema, é de suma importância assegurar as operações seguras do sistema de controle e sua capacidade de evitar a saturação dos limites de manuseio do veículo. Nesta tese, propomos abordagens GCC para sistemas lineares restritos e irrestritos, sujeitos a incertezas estruturadas contidas por norma e apresentamos a aplicação de tais controladores ao problema de controle lateral de veículos autônomos até os limites de saturação dos pneus.