Contrôle coopératif homme-machine : gestion des transitions entre les modes manuel/auto pour un véhicule semi autonome

Human-machine cooperative control : transition management between manual/auto mode for the semi-autonomous vehicle

• Auteur / Autrice : Alex Hamdan
• Direction : Reine Talj, Véronique Berge-Cherfaoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et Robotique : Unité de recherche Heudyasic (UMR-7253)
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accidents -- Prévention

Simulation par ordinateur

Algorithmes

Systèmes d'aide à la décision

Prise de décision

Commande en mode glissant

Stabilité

Systèmes anticollision

Véhicules autonomes

Interaction humain-machine

Systèmes homme-machine

Mots clés libres

Véhicule semi-autonome

Conduite coopérative

Contrôle latéral partagé

Conduite autonome

Gestion de transition

Approche centralisée

Approche décentralisée

Mode glissant ''Super-Twisting''

LPV/H1

Semi-autonomous vehicle

Human-machine cooperative control

Cooperative driving

Shared lateral control

Decision-making

Autonomous driving

Transition management

Centralized approach

Decentralized approach

Super-Twisting Sliding Mode

Human-machine systems

Human-computer interaction

LPV/H1

Résumé

La conduite autonome est devenue un objectif primordial pour les industries automobiles ainsi que pour les recherches académiques ces dernières années. De nombreuses études avancées ont été réalisées dans ce domaine afin de rendre cette technologie accessible au public. Selon le département des transports aux États-Unis « National Highway Traffic Safety Administration NHTSA », il existe 6 niveaux d'autonomie : de 0 à 5. Cependant, le remplacement de la conduite traditionnelle par un système autonome reste une question ouverte et les véhicules entièrement autonomes ont besoin de plus de temps pour être réalisés afin de surmonter toutes les situations de conduite. Ainsi, afin de préparer l'environnement pour les véhicules autonomes, un contrôle latéral partagé pour le maintien de la voie sera traité dans cette thèse, pour gérer la transition entre le mode manuel/auto pour le véhicule semi-autonome (niveau 2 et 3). Ce contrôle partagé assure la sécurité sur la route et le confort du conducteur lorsque les deux agents agissent sur le contrôle du véhicule. La transition fait partie de l'interaction homme-machine (IHM), ce qui signifie que l'interaction de l'homme avec le système est importante pour que l'homme comprenne le comportement du système et agisse avec lui pour atteindre un objectif commun. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de développer un contrôle latéral partagé pour maintenir la voie en utilisant un système de direction steer-by-wire. L'objectif de ce contrôle partagé est de gérer l'autorité de contrôle entre le conducteur et le système autonome afin d'assurer la sécurité routière, d'améliorer les performances de conduite et de réaliser une transition lisse et sûre entre les deux agents. L'autorité de contrôle est réalisée en utilisant le contrôle partagé mixte qui permet la fusion de deux entrées de commande : l'angle de braquage du conducteur humain sur le volant et l'angle de braquage calculé par le système autonome, via un paramètre de fusion. Pour cela, un modèle de conducteur est développé dans ce travail, pour représenter l'humain dans la boucle. Les mouvements longitudinaux et latéraux du véhicule sont effectués par un système autonome développé en utilisant l'approche de contrôle par mode glissant ''Super-Twisting'', afin de suivre une trajectoire de référence. Ensuite, un algorithme de prise de décision est développé pour le contrôle latéral partagé afin de gérer l'autorité entre le conducteur et le système autonome et de calculer le paramètre de la fusion. Différents critères sont pris en compte et intégrés dans les algorithmes de décision, tels que : le degré de confiance de chaque entrée (conducteur humain et système autonome), l'erreur latérale, le comportement et l'intention du conducteur, la demande de prise de contrôle, etc. Enfin, l'implémentation et la validation du contrôle partagé proposé est effectuée sous Matlab/Simulink et sous le simulateur de véhicules ''SCANeR Studio'' (OKTAL) en interaction avec l'humain dans la boucle à travers le volant ''Logitech G29'' pour les différents scénarios de conduite. La dernière partie de la thèse porte sur le développement d'un système avancé d'aide à la conduite (ADAS) (niveau 2), comportant une direction avant active (AFS) et un contrôle direct du lacet (DY C). Les approches du contrôle partagé centralisée et décentralisée sont développées en se basant sur les techniques de commande : LPV=H1 et mode glissant ''Super-Twisting'', afin d'aider le conducteur dans la manœuvre de maintien de la voie, tout en garantissant la stabilité latérale du véhicule. Enfin, la validation des différentes approches est effectuée sous Matlab/Simulink pour les différentes études de cas avec un modèle non linéaire complet du véhicule validé sous le simulateur professionnel ''SCANeR Studio''.

The development of the autonomous vehicles has become a purposeful target for automotive industries as well as for the academic researches in the recent years. Many advanced studies have been done in this field to make this technology accessible for the public. According to the US Department of Transportation « National Highway Traffic Safety Administration NHTSA », there are 6 levels of automation: from 0 to 5. However, the act of replacing the traditional driven by an autonomous system is still an open question and the full autonomous vehicle needs more time to be realized in order to overcome all the possible driving situations. So, in order to prepare the environment for the autonomous vehicles, a shared lateral control for the lane keeping purpose will be treated in this thesis, to manage the transition between manual/auto mode for the semi-autonomous vehicle (level 2 and 3). This shared control ensures driving safety on the road and the driver's comfort when the two agents act on the vehicle's control. The transition shifting is a part of human machine interaction (HMI) which means that the interaction of human with the system is important for the human to understand the system's behavior and act with him to accomplish a shared goal. In this context, the objective of this thesis is to develop a shared lateral control for the lane keeping objective using steer-by-wire system. The objective of this shared control is to manage the control authority between driver and autonomous system in order to ensure road safety, enhance driving performance and realize a smooth and safe switching between the two agents. The control authority is realized using the blended shared control that permits the fusion of the two agents inputs on the steering wheels: the steering wheel angle of the human driver and the steering wheel angle of the autonomous system, via a fusion parameter. To do that, a driver model is developed in this work, to represent the human in the loop. The vehicle longitudinal and lateral movements are performed by an autonomous system developed using the Super-Twisting Sliding Mode (STSM) control approach, in order to follow a reference trajectory. Then, decision-making algorithms are developed for the shared lateral control to manage authority between the driver and the autonomous system and calculate the fusion parameter. Different criteria are considered and integrated in the decision algorithms, such as: the degree of confidence of each input (human driver and autonomous system), the lateral error, driver's behavior and intention, take over request, etc. Finally, validation and implementation of the proposed shared control is done on Matlab/Simulink and on ''SCANeR Studio'' vehicle's simulator (OKTAL) interacting with the human in-the-loop through the ''Logitech G29 '' steering wheel for the di_erent driving scenarios. The last part of the thesis deals with the development of Advanced Driving Assistance System (ADAS) (level 2), involving Active Front Steering (AFS) and Direct Yaw Control (DY C). The proposed centralized and decentralized shared control approaches are developed based on: the LPV/H1 and Super-Twisting Sliding Mode (STSM) control techniques, to help the driver in the lane keeping maneuver, while guaranteeing vehicle's lateral stability. Finally, validation of the different approaches is done on Matlab/Simulink for the different case studies with a complete nonlinear model of the vehicle validated on ''SCANeR Studio'' professional simulator.