Diagnostic et reconfiguration d'une architecture hiérarchisée et générique de véhicules autonomes en environnement urbain

Study of diagnosticability for the reconfiguration of a hierarchical and generic control law for autonomous vehicles in urban environment

• Auteur / Autrice : Mélodie Ruhnke
• Direction : Xavier Moreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique
• Date : Soutenance le 06/07/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Thierry-Marie Guerra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Moreau, Thierry-Marie Guerra, Vincent Cocquempot, Lydie Nouvelière, François Aioun, André Benine-Neto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Cocquempot, Lydie Nouvelière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fiabilité

Logiciels -- Réingénierie

Véhicules autonomes

Mots clés libres

Véhicules Autonomes

Diagnostic

Reconfiguration

Surveillance

Planification de trajectoire

Sûreté de fonctionnement

Domaines de fonctionnement

Autonomous Driving

Diagnosis

Reconfiguration

Monitoring

Path planning

Functional Safety

Operated Domain

Résumé

Cette thèse traite du développement et de la conception d’algorithmes de supervision de fonctions de conduite pour les véhicules autonomes de niveau 3 (et plus) (autonomie partielle à totale) en milieu urbain. L’autonomie croissante des véhicules réduit progressivement le rôle du conducteur. Si une fonction de conduite est incapable de gérer une situation de conduite, la détection du comportement inadapté du système s’avère une nécessité pour assurer une reconfiguration vers un mode d’opération sûr. L’objectif de la thèse est de développer des fonctions de supervision pour une architecture de véhicule autonome donnée. Plus précisément, l’objectif est, d’une part, d’assurer la sûreté de fonctionnement des fonctions de conduite autonome et, d’autre part, de garantir la sécurité des passagers du véhicule. Cette thèse se focalise donc sur la proposition de fonctions de détection et de reconfiguration dans le cadre de la planification de trajectoire et de la régulation de vitesse d’un ACC.La première partie se consacre à la théorie du diagnostic ainsi que la reconfiguration. Un état de l’art présente des méthodes de détection et localisation de défauts (DLD). Il est complété par une étude de l’applicabilité de ces méthodes à l’automobile. Ainsi, dans le cadre de la planification de trajectoire, le choix retenu est celui d’un diagnostic basé sur la construction d’intervalles. Concernant la régulation de vitesse d’un ACC, le choix retenu est celui de la méthode de l’espace de parité dynamique.La problématique de reconfiguration nécessite la satisfaction des contraintes de conformité, de continuité des signaux et/ou de stabilité. Ces contraintes s’appliquent à la prise de décision, la planification de trajectoire et le contrôle. Des outils indispensables pour la gestion de la reconfiguration sont présentés, notamment les principaux théorèmes concernant la stabilité des systèmes commutés. Ceci permet conclure cette partie et de poser les bases pour démontrer par la suite la stabilité du régulateur de vitesse reconfiguré.La deuxième partie de cette thèse consiste à appliquer les méthodes de diagnostic et des principes de reconfiguration présentés précédemment sur deux applications : la régulation de vitesse et la planification de trajectoire. Pour la régulation de vitesse, un dysfonctionnement dans le régulateur CRONE est détecté à l’aide de la méthode de l’espace de parité dynamique. Une fois que le défaut est détecté, une reconfiguration vers un régulateur PI est faite afin d’assurer la sûreté de la régulation de vitesse. Une étude sur la passivité et la stabilité permet enfin de garantir la stabilité du régulateur reconfiguré.Trois scénarios sont traités pour la planification de trajectoire : un cas de défaillance et deux cas de sortie de domaine de fonctionnement. Pour le premier cas, une surcharge du calculateur empêche le calcul de trajectoire dans le temps imparti. L’objectif est de détecter cette défaillance et de reconfigurer vers un calculateur moins chargé qui assure la continuité de trajectoire. Dans le deuxième cas, l’algorithme de calcul de chemin (A*) propose une solution qui conduit le véhicule à sortir de la voie. Ce problème est détecté par la fonction qui surveille la distance entre un point du véhicule et le bord de la voie. La reconfiguration permet alors de changer d’algorithme de génération de chemin et d’assurer la continuité de ce dernier. Le troisième scénario traite un profil de vitesse qui ne respecte pas les accélérations limites au-delà desquelles il y a un risque pour la tenue de route. La fonction de détection identifie une sortie du domaine admissible pour l’accélération transversale dans le cadre d’un virage à forte courbure. La reconfiguration fait décélérer le véhicule pour garantir la tenue de route en respectant les contraintes associées.

The main subject of this thesis is the development and design of supervising algorithms for automated driving (of level 3 or more) in urban environment. Increasing autonomy of vehicles has progressively reduced the role of the driver. If a driving function is unable to correctly deal with a given situation, detection of the system’s inadequate operation becomes a main need in order to guarantee a reconfiguration towards a safe operating mode. The main objective of the present work is to develop supervision functions for a given autonomous vehicle architecture in order to achieve two tasks: to guarantee functional safety of the autonomous driving functions and to also guarantee passenger’s safety. The main emphasis is proposing fault detection functions and reconfiguration in the specific case of path planning and speed control for an ACC.The first part of this thesis deals with diagnosis theory as well as reconfiguration. A state of art presents different fault detection and isolation (FDI) methods, which is then completed by a feasibility analysis of such methods for the automobile case. Analysis for the two chosen applications in this thesis leads to the choice of a diagnosis based upon interval construction for path planning and dynamic parity space for speed control.Reconfiguration problem implies taking into account conformity, signal continuity and/or stability. These three aspects must be considered for decision making, path planning and control algorithms. Essential tools for reconfiguration handling are presented, most notably principal theorems concerning switched system’s stability. This allows to state a theoretical background that will then lead to the demonstration of reconfigured speed controller’s stability, which is the conclusion of this section.The second part of this thesis is the application of diagnosis methods and reconfiguration principles presented in previous chapters for two cases: speed control and path planning. For the speed control scenario, a fault on a CRONE controller is detected by using dynamic parity space method. Once the default is detected, a reconfiguration towards a PI controller is performed in order to guarantee the safety of the speed control. An analysis on both passivity and stability allows to conclude this study by assuring reconfigured controller’s stability.Three scenarios are analyzed for path planning: a fault case and two cases of operational domain exit scenarios. For the first case, a calculator overload unable the path planning on the allowed time. The objective is to detect such fault and reconfigure towards an unloaded calculator, which keeps path continuity. On the second case, path calculation algorithm (A*) proposes a solution that implies leaving the road limits. The detection function supervises the distance between a point of the vehicle and the edge of the road. Reconfiguration allows to change the path generation algorithm and keep path continuity. The third scenario deals with a speed profile which disrespects admissible comfort accelerations, which is dangerous for road tracking. The detection function must identify an operational domain exit for the transversal acceleration in the case of a strong curvature turn. Reconfiguration reduces the acceleration in order to keep road tracking and respect acceleration limits.