Ce mémoire est consacré à la mise en œuvre de commandes d'un train de véhicules intelligents sur autoroute ayant pour objectifs principaux de réduire la congestion et d'améliorer la sécurité routière. Après avoir présenté l'état de l'art sur des systèmes de conduite automatisée, des modèles de la dynamique longitudinale et latérale du véhicule sont présentés. Ensuite, des stratégies de contrôle longitudinal et latéral sont étudiées.D'abord, le contrôle longitudinal est conçu pour être hiérarchique avec un contrôleur de niveau supérieur et un contrôleur de niveau inférieur. Pour celui de niveau supérieur, une régulation d'inter-distance SSP (Safety Spacing Policy) est proposée. Nous avons constaté que la SSP peut assurer la stabilité de la chaîne et la stabilité des flux de trafic et augmenter ainsi la capacité de trafic. Puis, pour celui de niveau inférieur, une loi de commande floue coordonnée est proposée pour gérer l'accélérateur et le freinage. Ensuite, une loi de commande multi-modèle floue est conçue pour le contrôle latéral. De plus, pour réaliser des transformations lisses entre les différentes opérations latérales, une architecture de contrôle hiérarchique est proposée. Puis, l'intégration des commandes longitudinale et latérale est étudiée. Enfin, l'estimation des variables d'états du véhicule est discutée. Un filtre de Kalman-Bucy est conçu pour estimer les états du véhicule. En outre, un prototype de véhicule intelligent à échelle réduite est également présenté. Les performances des divers algorithmes de commande proposés ont été testées par simulations, et les résultats ont été confirmés par les premières expériences en utilisant le prototype

Cette thèse est consacrée à l'évaluation de la fiabilité d'une caravane de véhicules intelligents avec les principaux objectifs de fournir une méthode pour évaluer et améliorer la sécurité des ITS. Après examen de l'évolution des ITS et DSRC, la fiabilité/qualité de service (QoS) de transmission de bout-en-bout des communications courtes est analysée. Ensuite, les effets de la transmission et QoS sur le système de commande PID et flou sont étudiés respectivement.D'abord, Les méthodes de protection des données utilisées dans le protocole Bluetooth sont analysées en termes de fiabilité. Un modèle de performance du nœud est construit pour les différentes distributions de temps de service du nœud. Ainsi, chaque nœud dans le réseau peut surveiller directement la qualité de service du nœud à tout moment. Basé sur ce modèle, un protocole de routage ad hoc (NPDSR) est proposé. Ce protocole présente les avantages de maintenir la qualité de service requise de la communication, et des économies de routage.Deuxièmement, les effets sur les systèmes de contrôle, en termes de retards et de pertes, sont analysés en utilisant la méthode mathématique et statistique. Des fonctions descriptives pour les contrôleurs flous de types Mamdani et T-S sont fournies, et la stabilité du contrôleur multi-flou avec un retard de communication est analysée à l'aide des lieux de Nyquist.Enfin, en perspective, l'utilisation possible de NS-2 sur le modèle de simulation et de vérification est discutée, ce qui s'avère intéressant pour simuler des protocoles différents. En outre, il peut être connecté avec Simulink permettant une meilleure analyse de performances des systèmes de contrôle en réseau

Les travaux présentés dans cette thèse ont pour cadre la vision par ordinateur et concernent la détection et le suivi de piéton se trouvant sur la trajectoire d'un véhicule routier circulant en milieu urbain. Dans ce type d'environnement complexe, une des difficultés majeurs est la capacité à discerner les piétons des nombreux autres obstacles situés sur la chaussée. Un autre point essentiel est de pouvoir les suivre afin de prédire leur déplacement et ainsi le cas échéant éviter le contact avec le véhicule. D'autres contraintes s'ajoutent dans le contexte industriel des véhicules routiers intelligents. Il est nécessaire de proposer des algorithmes robustes temps réel avec des capteurs les moins chers possible

Enjeux : Depuis plus de dix ans aux USA, en Europe ou au Japon, nous observons un effort grandissant dans la recherche et le développement, dans le domaine du transport. En réponse aux problèmes de congestion, pollution et sûreté, soulevés par l'utilisation croissante des voitures en milieu urbain, de nouveaux modes de transport ont été proposés. Ils s'appuient sur l'utilisation de véhicules individuels circulant sur site urbain (projet Praxitèle en France, ICVS de Honda au Japon) ou sur site dédié (Parkshuttle aux Pays-Bas, Serpentine en Suisse, IMTS de Toyota au Japon). Dans le long terme, il est envisagé d'équiper ce type de véhicules afin de les rendre complètement autonomes. Cependant, le développement de voitures complètement autonomes ne peut être réalisé qu'en prenant en compte la nature particulière de l'environnement: nous sommes confrontés ici à des environnements peuplés d'obstacles mobiles (autres voitures ou piétons), capable de se mouvoir à des vitesses élevées et dont le mouvement future est à priori inconnu. A ce jour, le problème de navigation autonome dans ce type d'environnement reste largement ouvert. Positionnement du sujet : Notre travail aborde le problème de navigation autonome en milieu dynamique partiellement connu. Ce problème a généré de nombreux travaux durant les dix dernières années. Néanmoins, nous avons observé que certains aspect fondamentaux liés à la nature dynamique de l'environnement ont été oubliés, en commençant par la limite de temps qu'un système placé dans un environnement dynamique a, pour prendre une décision et exécuter son mouvement. Bien que cette contrainte soit d'importance cruciale, il y a paradoxalement peu de travaux dans la littérature la prennent en compte. Cette contrainte temps réel a été placée au coeur de notre travail. Résultats : Dans ce travail nous présentons une technique de planification qui prend en compte de manière explicite la contrainte temps réel imposée par l'environnement dynamique. La planification de mouvement partiel (PMP) est une technique originale de planification qui réagit à tout moment; dès que le temps imparti pour calculer une trajectoire est écoulé, la meilleure trajectoire calculée disponible est transmise. En fait, de notre point de vue, l'approche PMP est la meilleure approche possible au problème que nous avons observé, à savoir l'incompatibilité intrinsèque entre la planification en environnement dynamique et la contrainte temps réelle. PMP intègre également le problème de sûreté, que nous considérons d'un point de vue des états de collisions inévitables (ICS), concept récent qui englobe toutes les approches existantes et de proposer une technique qui donne de fortes garanties de sûreté pour notre système. Enfin, dans de ce travail, nous démontrons l'efficacité de notre approche PMP pour des environnements relativement complexes. Plusieurs expérience ont été mises en oeuvre où PMP a ainsi été intégré sur une plate forme réelle, le robot type voiture Cycab, véhicule conçu par l'INRIA. Transfert des résultats vers l'industrie : Dans un contexte d'automatisation des véhicules à des fins d'assistance à la conduite ou de confort, la technique developpée dans ce travail pourrait tout à fait servir de base à des stratégies d'utomatisation de certaines manoeuvres de véhicules.

Le thème de recherche de cette thèse est la perception coopérative multi-véhicules appliquée au contexte des systèmes de véhicules intelligents. L’objectif général des travaux présentés dans cette thèse est de réaliser la perception coopérative de plusieurs véhicules (dite « perception coopérative »), visant ainsi à fournir des résultats de perception améliorés par rapport à la perception d’un seul véhicule (ou « perception non-coopérative »). Au lieu de concentrer nos recherches sur la performance absolue de la perception coopérative, nous nous concentrons sur les mécanismes généraux qui permettent la réalisation de la localisation coopérative et de la cartographie de l’environnement routier (y compris la détection des objets), considérant que la localisation et la cartographie sont les deux tâches les plus fondamentales pour un système de véhicule intelligent. Nous avons également exploité la possibilité d’explorer les techniques de la réalité augmentée, combinées aux fonctionnalités de perception coopérative. Nous baptisons alors cette approche « réalité augmentée coopérative ». Par conséquent, nous pouvons d’ores et déjà annoncer trois contributions des travaux présentés: la localisation coopérative, la cartographie locale coopérative, et la réalité augmentée coopérative. / The research theme of this dissertation is the multiple-vehicles cooperative perception (or cooperative perception) applied in the context of intelligent vehicle systems. The general methodology of the presented works in this dissertation is to realize multiple-intelligent vehicles cooperative perception, which aims at providing better vehicle perception result compared with single vehicle perception (or non-cooperative perception). Instead of focusing our research works on the absolute performance of cooperative perception, we focus on the general mechanisms which enable the realization of cooperative localization and cooperative mapping (and moving objects detection), considering that localization and mapping are two underlying tasks for an intelligent vehicle system. We also exploit the possibility to realize certain augmented reality effect with the help of basic cooperative perception functionalities; we name this kind of practice as cooperative augmented reality. Naturally, the contributions of the presented works consist in three aspects: cooperative localization, cooperative local mapping and moving objects detection, and cooperative augmented reality.

Notre travail aborde le problème de navigation autonome en milieu dynamique partiellement connu. Ce problème a généré de nombreux travaux durant les dix dernières années. Néanmoins, nous avons observé que certains aspect fondamentaux liés à la nature dynamique de l'environnement ont été oubliés, en commençant par la limite de temps qu'un système placé dans un environnement dynamique a, pour prendre une décision et exécuter son mouvement. Bien que cette contrainte soit d'importance cruciale, il y a paradoxalement peu de travaux dans la littérature la prennent en compte. Cette contrainte temps réel a été placée au cœur de notre travail. Dans ce travail nous présentons une technique de planification qui prend en compte de manière explicite la contrainte temps réel imposée par l'environnement dynamique. La planification de mouvement partiel (PMP) est une technique originale de planification qui réagit à tout moment; dès que le temps imparti pour calculer une trajectoire est écoulé, la meilleure trajectoire calculée disponible est transmise. En fait, de notre point de vue, l'approche PMP est la meilleure approche possible au problème que nous avons observé, à savoir l'incompatibilité intrinsèque entre la planification en environnement dynamique et la contrainte temps réelle. PMP intègre également le problème de sûreté, que nous considérons d'un point de vue des états de collisions inévitables (ICS), concept récent qui englobe toutes les approches existantes et de proposer une technique qui donne de fortes garanties de sûreté pour notre système. Enfin, dans ce travail, nous démontrons l'efficacité de notre approche PMP pour des environnements relativement complexes. Plusieurs expérience ont été mises en œuvre où PMP a ainsi été intégré sur une plate forme réelle, le robot type voiture Cycab, véhicule conçu par l'INRIA.

Afin d’améliorer la précision des systèmes de navigation ainsi que de garantir la sécurité et la continuité du service, il est essentiel de connaitre la position et l’orientation du véhicule en tout temps. La localisation absolue utilisant des systèmes satellitaires tels que le GPS est souvent utilisée `a cette fin. Cependant, en environnement urbain, la localisation `a l’aide d’un récepteur GPS peut s’avérer peu précise voire même indisponible `a cause des phénomènes de réflexion des signaux, de multi-trajet ou de la faible visibilité satellitaire. Afin d’assurer une estimation précise et robuste du positionnement, d’autres capteurs et méthodes doivent compléter la mesure. Dans cette thèse, des méthodes de localisation de véhicules sont proposées afin d’améliorer l’estimation de la pose en prenant en compte la redondance et la complémentarité des informations du système multi-capteurs utilisé. Tout d’abord, les mesures GPS sont fusionnées avec des estimations de la localisation relative du véhicule obtenues `a l’aide d’un capteur proprioceptif (gyromètre), d’un système stéréoscopique(Odométrie visuelle) et d’un télémètre laser (recalage de scans télémétriques). Une étape de sélection des capteurs est intégrée pour valider la cohérence des observations provenant des différents capteurs. Seules les informations validées sont combinées dans un formalisme de couplage lâche avec un filtre informationnel. Si l’information GPS est indisponible pendant une longue période, la trajectoire estimée par uniquement les approches relatives tend `a diverger, en raison de l’accumulation de l’erreur. Pour ces raisons, les informations d’une carte numérique (route + bâtiment) ont été intégrées et couplées aux mesures télémétriques de deux télémètres laser montés sur le toit du véhicule (l’un horizontalement, l’autre verticalement). Les façades des immeubles détectées par les télémètres laser sont associées avec les informations_ bâtiment _ de la carte afin de corriger la position du véhicule.Les approches proposées sont testées et évaluées sur des données réelles. Les résultats expérimentaux obtenus montrent que la fusion du système stéréoscopique et du télémètre laser avec le GPS permet d’assurer le service de localisation lors des courtes absences de mesures GPS et de corriger les erreurs GPS de type saut. Par ailleurs, la prise en compte des informations de la carte numérique routière permet d’obtenir une approximation de la position du véhicule en projetant la position du véhicule sur le tronc¸on de route correspondant et enfin l’intégration de la carte numérique des bâtiments couplée aux données télémétriques permet d’affiner cette estimation, en particulier la position latérale. / In some dense urban environments (e.g., a street with tall buildings around), vehicle localization result provided by Global Positioning System (GPS) receiver might not be accurate or even unavailable due to signal reflection (multi-path) or poor satellite visibility. In order to improve the accuracy and robustness of assisted navigation systems so as to guarantee driving security and service continuity on road, a vehicle localization approach is presented in this thesis by taking use of the redundancy and complementarities of multiple sensors. At first, GPS localization method is complemented by onboard dead-reckoning (DR) method (inertial measurement unit, odometer, gyroscope), stereovision based visual odometry method, horizontal laser range finder (LRF) based scan alignment method, and a 2D GIS road network map based map-matching method to provide a coarse vehicle pose estimation. A sensor selection step is applied to validate the coherence of the observations from multiple sensors, only information provided by the validated sensors are combined under a loosely coupled probabilistic framework with an information filter. Then, if GPS receivers encounter long term outages, the accumulated localization error of DR-only method is proposed to be bounded by adding a GIS building map layer. Two onboard LRF systems (a horizontal LRF and a vertical LRF) are mounted on the roof of the vehicle and used to detect building facades in urban environment. The detected building facades are projected onto the 2D ground plane and associated with the GIS building map layer to correct the vehicle pose error, especially for the lateral error. The extracted facade landmarks from the vertical LRF scan are stored in a new GIS map layer. The proposed approach is tested and evaluated with real data sequences. Experimental results with real data show that fusion of the stereoscopic system and LRF can continue to localize the vehicle during GPS outages in short period and to correct the GPS positioning error such as GPS jumps; the road map can help to obtain an approximate estimation of the vehicle position by projecting the vehicle position on the corresponding road segment; and the integration of the building information can help to refine the initial pose estimation when GPS signals are lost for long time.

Ce mémoire est consacré à la mise en œuvre de commandes d'un train de véhicules intelligents sur autoroute ayant pour objectifs principaux de réduire la congestion et d’améliorer la sécurité routière. Après avoir présenté l'état de l'art sur des systèmes de conduite automatisée, des modèles de la dynamique longitudinale et latérale du véhicule sont présentés. Ensuite, des stratégies de contrôle longitudinal et latéral sont étudiées.D'abord, le contrôle longitudinal est conçu pour être hiérarchique avec un contrôleur de niveau supérieur et un contrôleur de niveau inférieur. Pour celui de niveau supérieur, une régulation d'inter-distance SSP (Safety Spacing Policy) est proposée. Nous avons constaté que la SSP peut assurer la stabilité de la chaîne et la stabilité des flux de trafic et augmenter ainsi la capacité de trafic. Puis, pour celui de niveau inférieur, une loi de commande floue coordonnée est proposée pour gérer l'accélérateur et le freinage. Ensuite, une loi de commande multi-modèle floue est conçue pour le contrôle latéral. De plus, pour réaliser des transformations lisses entre les différentes opérations latérales, une architecture de contrôle hiérarchique est proposée. Puis, l'intégration des commandes longitudinale et latérale est étudiée. Enfin, l'estimation des variables d’états du véhicule est discutée. Un filtre de Kalman-Bucy est conçu pour estimer les états du véhicule. En outre, un prototype de véhicule intelligent à échelle réduite est également présenté. Les performances des divers algorithmes de commande proposés ont été testées par simulations, et les résultats ont été confirmés par les premières expériences en utilisant le prototype / This PhD thesis is dedicated to the control strategies for intelligent vehicle platoon in highway with the main aims of alleviating traffic congestion and improving traffic safety. After a review of the different existing automated driving systems, the vehicle longitudinal and lateral dynamic models are derived. Then, the longitudinal control and lateral control strategies are studied respectively. At first, the longitudinal control system is designed to be hierarchical with an upper level controller and a lower level controller. For the upper level controller, a safety spacing policy (SSP) is proposed. It is shown that the proposed SSP can ensure string stability, traffic flow stability and improve traffic capacity. Then, a coordinated throttle and brake fuzzy controller (lower level controller) is designed, in which a logic switch is designed to coordinate the two actuators (throttle and brake pedals). Second, for the lateral control, a multi-model fuzzy controller is designed. And a hierarchical lateral control architecture is also proposed, which can effectuate flexible switch between different lateral operations. After that, the integration of the longitudinal controller and lateral controller is also studied. Finally, the estimation of vehicle states is discussed. A Kalman-Bucy filter is designed to estimate vehicle states in lateral dynamics. Moreover, a reduced scale multi-sensor intelligent vehicle prototype is also presented. The performances of the divers control algorithms proposed in this thesis have been tested in numerical simulations, and the first step experiments with the reduced scale vehicle prototype gave encouraging results

Cette thèse est consacrée à l'évaluation de la fiabilité d’une caravane de véhicules intelligents avec les principaux objectifs de fournir une méthode pour évaluer et améliorer la sécurité des ITS. Après examen de l'évolution des ITS et DSRC, la fiabilité/qualité de service (QoS) de transmission de bout-en-bout des communications courtes est analysée. Ensuite, les effets de la transmission et QoS sur le système de commande PID et flou sont étudiés respectivement.D'abord, Les méthodes de protection des données utilisées dans le protocole Bluetooth sont analysées en termes de fiabilité. Un modèle de performance du nœud est construit pour les différentes distributions de temps de service du nœud. Ainsi, chaque nœud dans le réseau peut surveiller directement la qualité de service du nœud à tout moment. Basé sur ce modèle, un protocole de routage ad hoc (NPDSR) est proposé. Ce protocole présente les avantages de maintenir la qualité de service requise de la communication, et des économies de routage.Deuxièmement, les effets sur les systèmes de contrôle, en termes de retards et de pertes, sont analysés en utilisant la méthode mathématique et statistique. Des fonctions descriptives pour les contrôleurs flous de types Mamdani et T-S sont fournies, et la stabilité du contrôleur multi-flou avec un retard de communication est analysée à l'aide des lieux de Nyquist.Enfin, en perspective, l’utilisation possible de NS-2 sur le modèle de simulation et de vérification est discutée, ce qui s’avère intéressant pour simuler des protocoles différents. En outre, il peut être connecté avec Simulink permettant une meilleure analyse de performances des systèmes de contrôle en réseau / This PhD thesis is dedicated to the reliability assessment for intelligent vehicles platoon with the main aim of providing an approach to evaluate and enhance the safety of ITS. After a review of developments of ITS and DSRC, the reliability/QoS of end-to-end transmission of short range communication is analyzed. Then, the effects of transmission QoS on PID sampling control system and fuzzy control system are studied respectively.At first, The data protection methods used in Bluetooth communication protocol are analyzed for the data reliability. A node performance model is built, suitable for different distributions of service time of the node. Hence, a node in the network can monitor the QoS of the node by itself at any time. Based on this model, a QoS-aware ad hoc routing protocol (NPDSR) is proposed. This protocol has the advantages in maintaining requested QoS of communication, and it has less routing overhead.Secondly, for the effects on the control systems, time delay and loss are both discussed using mathematical and statistical simulation methods. Describing functions for both Mamdani and T-S type fuzzy controllers are provided. The stability of multi-fuzzy controller with communication delay is analyzed using Nyquist stability plots.Finally, in the perspective, the possible use of NS-2 on the model simulation and verification has been discussed, which is powerful in simulating different behavior of protocols, routing protocol comparisons. Also, it can be connected with Simulink to enhance performance the simulation of network control systems

Cette thèse est consacrée à l'analyse de performance de Régulateurs de Vitesse Adaptatifs Coopératifs(CACC) pour un train de véhicules intelligents afin de réduire la congestion du trafic et améliorer la sécurité routière.Premièrement, la politique d'espacement, à Intervalles Constants de Temps (CTH) est introduite. Basé sur cette politique d'espacement, un nouveau système décentralisé de Deux-Véhicules-Devant CACC (TVACACC) est proposé, dans lequel l'accélération souhaitée de deux véhicules précédents est prise en compte. Ensuite, la stabilité de la chaîne du système proposé est analysée théoriquement. Il est démontré que grâce à l'aide de la communication multiple entre véhicules, une meilleure stabilité de la chaîne est obtenue par rapport au système conventionnel. Un train de véhicules dans le scénario Stop-and-Go est simulé avec une communication parfaite puis dégradée. Le système proposé donne un comportement stable de la chaîne, correspondant à l'analyse théorique.Deuxièmement, une technique de dégradation pour CACC est présentée comme stratégie alternative lorsque la communication sans fil est partiellement ou complètement perdue. La stratégie proposée, appelée DTVACACC, utilise le filtre de Kalman pour estimer l'accélération actuelle du véhicule précédent qui remplace l'accélération souhaitée. Il est démontré que la performance pour le DTVACACC, peut être maintenue à un niveau beaucoup plus élevé.Enfin, une approche d’Apprentissage par Renforcement (RL) pour système CACC est proposée. L' algorithme politique- gradient est introduit pour réaliser le contrôle longitudinal . Ensuite, la simulation a montré que cette nouvelle approche de RL est efficace pour CACC / This PhD thesis is dedicated to the performance analysis of Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) system for intelligent vehicle platoon with the main aims of alleviating traffic congestion and improving traffic safety. At first, the Constant Time Headway (CTH) spacing policy for vehicle platoon is introduced. Based on this spacing policy, a novel decentralized Two-Vehicle-Ahead CACC (TVACACC) system is proposed, in which the desired acceleration of two front vehicles is taken into account. Then the string stability of the proposed system is theoretically analyzed. It is shown that by using the multiple wireless communication among vehicles, a better string stability is obtained compared to the conventional system. Vehicle platoon in Stop-and-Go scenario is simulated with both normal and degraded communication.Secondly, a graceful degradation technique for CACC was presented, as an alternative fallback strategy when wireless communication is lost or badly degraded. The proposed strategy, which is referred to DTVACACC, uses Kalman filter to estimate the preceding vehicle’s current acceleration as a replacement of the desired acceleration. It is shown that the performance is maintained at a much higher level.Finally, a Reinforcement Learning (RL) approach of CACC system is proposed. The policy-gradient algorithm is introduced to achieve the longitudinal control. Then simulation has shown that this new RL approach results in efficient performance for CACC.