Modélisation et commande d'un convoi de véhicules urbains par vision

Vehicle platooning is addressed in this thesis with the aim of contributing in reducing congestion and pollution in urban areas. The researches here focus on cooperative navigation of a fleet of communicating vehicles and relies on a global control approach : each vehicle is controlled from information shared by the entire fleet, using exact linearization techniques. This manuscript presents two theoretical contributions, introducing two new navigation functionalities, and the third contribution consists in their practical implementation. As a first part, the introduction of a manual navigation mode has been investigated, in which the first vehicle, guided by an operator, defines and broadcasts the path to be followed by platoon members. In that case, the numerical representation of the trajectory must be extended without disturbing the portion previously generated, to ensure that the entire platoon can precisely and smoothly follow the leader track. To meet these requirements, the trajectory is modeled using B-Spline curves and an iterative path creating algorithm has been developed from successive positions collected by the lead vehicle during its motion. A parametric analysis has finally resulted in the design of an optimal trajectory with respect to the fidelity of the path representation and to the robustness regarding the disturbances that could arise during the creation procedure. In a second part, a localization strategy relying on monocular vision has been integrated in platoon control algorithms. The localization approach is based on a learning phase during which a video sequence is used to perform a 3D mapping of the environment. However, such a virtual vision world is slightly distorted with respect to the actual metric one. This affects the performances of the platoon control laws. An analysis of distortion has demonstrated that platooning performances can be recovered, provided if a set of local scale factors attached to the reference trajectory is available. Several strategies have then been designed to estimate online such scale factors, either from an observer relying on odometric data, or from an optimization process based on telemetric data. As before, intensive simulations has been run to evaluate parameter influence and highlight the best configurations to use during experiments. Finally, above mentionned algorithms have been implemented in order to present full-scale demonstrators with up to four vehicles (either CyCab or RobuCab). Particular attention is data temporal consistency : since data are collected asynchronously within the platoon, a NTP has been used to synchronize vehicle clock, so that middleware AROCCAM can stamp vehicle data and manage the control scheduling. Thus, vehicle models can be integrated in order to obtain an accurate estimate of the platoon state at the time the control laws are evaluated.
Cette thèse concerne la commande d’un convoi de véhicules avec l’objectif sociétal de réduire les problèmes de pollution et d’engorgement dans les milieux urbains. La recherche se concentre ici sur la navigation coopérative d’une flotte de véhicules communicants en s’appuyant sur une approche de commande globale : chaque véhicule est contrôlé à partir d’informations partagées par l’ensemble de la flotte, en s’appuyant sur des techniques de linéarisation exacte. Le développement de nouvelles fonctionnalités de navigation fait l’objet des deux contributions théoriques développées dans ce manuscrit et leur mise en oeuvre constitue la contribution pratique. Dans un premier temps, on s’intéresse à la mise en place d’un mode manuel de navigation dans lequel le premier véhicule, guidé par un opérateur, définit et retransmet la trajectoire à suivre aux membres du convoi. Il convient que la trajectoire, dont la représentation évolue au fur et à mesure de l’avancée du véhicule de tête, soit numériquement stable afin que les véhicules suiveurs qui sont asservis dessus puissent être contrôlés avec précision et sans subir de perturbations. A ces fins, la trajectoire a été modélisée par des courbes B-Spline et un algorithme itératif a été développé pour étendre cette dernière selon un critère d’optimisation évalué au regard des positions successives occupées par le véhicule de tête. Une analyse paramétrique a finalement permis d’aboutir à une synthèse optimale de la trajectoire en terme de fidélité et de stabilité de la représentation. Dans un second temps, on considère l’intégration d’une stratégie de localisation par vision monoculaire pour la navigation en convoi. L’approche repose sur une cartographie 3D de l’environnement préalablement construite à partir d’une séquence vidéo. Cependant, un tel monde virtuel comporte des distorsions locales par rapport au monde réel, ce qui affecte les performances des lois de commande en convoi. Une analyse des distorsions a permis de démontrer qu’il était possible de recouvrer des performances de navigation satisfaisantes à partir d’un jeu de facteurs d’échelle estimés localement le long de la trajectoire de référence. Plusieurs stratégies ont alors été élaborées pour estimer en-ligne ces facteurs d’échelle, soit à partir de données odométriques alimentant un observateur, soit à partir de données télémétriques intégrées dans un processus d’optimisation. Comme précédemment, l’influence des paramètres a été évaluée afin de mettre en évidence les meilleures configurations à utiliser en vue d’applications expérimentales. Pour finir, les algorithmes développés précédemment ont été mis en oeuvre lors d’expérimentations et ont permis d’obtenir des démonstrateurs en vraie grandeur comprenant jusqu’à quatre véhicules de type CyCab et RobuCab. Une attention particulière a été accordée à la cohérence temporelle des données. Celles-ci sont collectées de manière asynchrone au sein du convoi. L’utilisation du protocole NTP a permis de synchroniser l’horloge des véhicules et le middleware AROCCAM d’estampiller les données et de gérer le cadencement de la commande. Ainsi, le modèle d’évolution des véhicules a pu être intégré afin de disposer d’une estimation précise de l’état du convoi à l’instant où la commande est évaluée.