Trajectory planning and tracking for autonomous vehicles navigation

par Alia Chebly

Thèse de doctorat en Automatics : Unité de recherche Heudyasic (UMR-7253)

Sous la direction de Rein Talj et de Ali Charara.

Soutenue le 05-12-2017

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Planification et suivi de trajectoires pour la navigation des véhicules autonomes


  • Résumé

    Les travaux de cette thèse portent sur la navigation des véhicules autonomes, notamment la planification de trajectoires et le contrôle du véhicule. En premier lieu, un modèle véhicule plan est développé en utilisant une technique de modélisation qui assimile le véhicule à un robot constitué de plusieurs corps articulés. La description géométrique du véhicule est basée sur la convention de Denavit-Hartenberg modifiée. Le modèle dynamique du véhicule est ensuite calculé en utilisant la méthode récursive de Newton-Euler, qui est souvent utilisée dans le domaine de robotique. La validation du modèle a été conduite sur le simulateur Scaner-Studio développé par Oktal pour les applications automobiles. Le modèle du véhicule développé est ensuite utilisé pour la synthèse de lois de commande couplées pour les dynamiques longitudinale et latérale du véhicule. Deux correcteurs sont proposés dans ce travail : le premier est basé sur les techniques de commande par Lyapunov, le second utilise une approche ”Immersion et Invariance”. Ces deux contrôleurs ont pour objectifs de suivre une trajectoire de référence donnée avec un profil de vitesse désirée, tout en tenant compte du couplage existant entre les dynamiques longitudinale et latérale du véhicule. En effet, le contrôle couplé est nécessaire pour garantir la sécurité du véhicule autonome surtout lors de l’exécution des manœuvres couplées comme les manœuvres de changement de voie, les manœuvres d’évitement d’obstacles et les manœuvres exécutées dans les situations de conduite critiques. Les contrôleurs développés ont été validés en simulation sous Matlab/Simulink en utilisant des données expérimentales. Par la suite, ces contrôleurs ont été validés expérimentalement en utilisant le véhicule démonstrateur robotisé (Renault-Zoé) du laboratoire Heudiasyc financé par l’Equipex Robotex. En ce qui concerne la planification de trajectoires, une méthode de planification basée sur la méthode des tentacules sous forme de clothoides a été développée. En outre, une méthode de planification de manœuvres qui s’intéresse essentiellement à la manœuvre de dépassement a été mise en place, afin d’améliorer et de compléter la méthode locale des tentacules. Le planificateur local et le planificateur de manœuvres ont été ensuite combinés pour établir une stratégie de navigation complète. Cette stratégie a été validée par la suite sous Matlab/Simulink en utilisant le modèle de véhicule développé et le contrôleur basé sur Lyapunov.


  • Résumé

    In this thesis, the trajectory planning and the control of autonomous vehicles are addressed. As a first step, a multi-body modeling technique is used to develop a four wheeled vehicle planar model. This technique considers the vehicle as a robot consisting of articulated bodies. The geometric description of the vehicle system is derived using the modified Denavit Hartenberg parameterization and then the dynamic model of the vehicle is computed by applying a recursive method used in robotics, namely Newton-Euler based Algorithm. The validation of the developed vehicle model was then conducted using an automotive simulator developed by Oktal, the Scaner-Studio simulator. The developed vehicle model is then used to derive coupled control laws for the lateral and the longitudinal vehicle dynamics. Two coupled controllers are proposed in this thesis: In the first controller, the control is designed using Lyapunov control techniques while in the second one an Immersion and Invariance approach is used. Both of the controllers aim to ensure a robust tracking of the reference trajectory and the desired speed while taking into account the strong coupling between the lateral and the longitudinal vehicle dynamics. In fact, the coupled controller is a key step for the vehicle safety handling, especially in coupled maneuvers such as lane-change maneuvers, obstacle avoidance maneuvers and combined maneuvers in critical driving situations. The developed controllers were validated in simulation under Matlab/Simulink using experimental data. Subsequently, an experimental validation of the proposed controllers was conducted using a robotized vehicle (Renault-ZOE) present in the Heudiasyc laboratory within the Equipex Robotex project. Concerning the trajectory planning, a local planning method based on the clothoid tentacles method is developed. Moreover, a maneuver planning strategy focusing on the overtaking maneuver is developed to improve and complete the local planning approach. The local and the maneuver planners are then combined in order to establish a complete navigation strategy. This strategy is then validated using the developed robotics vehicle model and the Lyapunov based controller under Matlab/Simulink.


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