Diagnostic adaptatif à l'environnement de navigation : apport de l'apprentissage profond pour une localisation sûre et précise

Adaptive diagnosis to the navigation environment : Contribution of deep learning for safe and accurate localization

• Auteur / Autrice : Nesrine Harbaoui
• Direction : Maan El Badaoui El Najjar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique, Automatique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Mathématiques, sciences du numérique et de leurs interactions (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille
• Jury : Président / Présidente : Lounis Adouane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Delpha, Cindy Cappelle, Nourdine Ait-Tmazirte
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Roland Lenain, François Charpillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Estimation de paramètres

Tolérance aux fautes (ingénierie)

Fusion multicapteurs

Apprentissage profond

Détection de défaut (ingénierie)

Fiabilité

Localisation par satellites, Systèmes de

Mots clés libres

Divergence informationnelle

Localization

Fault Detection and isolation

Deep Learning

Résumé

Pour un système de transport terrestre autonome, la capacité de déterminer sa position est essentielle afin de permettre à d'autres fonctions, telles que le contrôle ou la planification de trajectoire, d'être exécutées sans danger. Ainsi, la criticité de ces fonctions génère des exigences importantes en termes de sûreté (intégrité), de disponibilité, de justesse et de précision. Pour les véhicules terrestres, la satisfaction de ces exigences est liée à divers paramètres tels que la dynamique du véhicule, les conditions météorologiques, ou encore le contexte de navigation, qui comprend à la fois l'environnement de fonctionnement et le comportement du véhicule ou de l'utilisateur. Toutes ces circonstances peuvent constituer un obstacle à la réception des signaux des systèmes mondial de positionnement par satellite GNSS Global Navigation Satellite System étant donné que l'environnement détermine le type et la qualité des signaux électromagnétiques disponibles pour le positionnement. Bien que de nombreuses techniques de navigation et de positionnement ont été développées, aucune n'est capable de fournir une position fiable et précise dans tous les contextes. Par conséquent, afin de déployer une fonction de localisation capable de fonctionner dans différents types de contextes, basée sur des capteurs à faible coût, principalement le GNSS et le système de navigation inertielle (IMU), il est nécessaire, dès la phase de conception, de développer des stratégies permettant de résoudre à la fois l'antagonisme de certaines exigences, et l'adaptation au changement d'environnement dynamique. Dans ce contexte, cette thése propose une couche de diagnostique qui s'adapte par des méthodes d'apprentissage profond aux changements du contexte et ajuste le compromis entre les exigences fonctionnelles. Cette couche est integrée dans un formalisme de fusion de données tolérant aux fautes par l'intermédiaire d'une divergence informationnelle, α-Rényi Divergence, connue par sa généralisation d'autres divergences notamment la divergence de Kullback-Leibler, Bhattacharyya distance, .... Dans l'optique de détecter et isoler les défauts des capteurs, cette divergence basée sur la génération des résidus, nous offre la solution de sélectionner le résidu adéquat à chaque situation par la fixation de la valeur du paramètre α par l'apport des technologies d'intelligence artificielle afin d'augmenter la détectabilité des défauts.En vue d'augmenter la disponibilité du système tout en gardant un niveau acceptable de sûreté de fonctionnement, un seuil adapatatif au contexte qui ajuste le compromis entre la probabilité de fausse alarme et la probabilité de détection manquée est proposée. Pour tester et valider les approches proposées deux sortes de données ont été fournies; réelles par la plateforme PRETIL du laboratoire CRIStAL et simulées/emulées par le logiciel Stella NGC dans la cadre du projet ANR LOCSP.

For an autonomous terrestrial transport system, the ability to determine its position is essential in order to allow other functions, such as control or perception, to be safely controlled or perceived. Thus, the criticality of these functions generates important requirements in terms of safety (integrity), availability, accuracy and precision. For land vehicles, meeting these requirements is related to various parameters such as vehicle dynamics, weather conditions, or the navigation context, which includes both the operational environment and the behavior of the host vehicle or user. All of these circumstances can be an obstacle to the reception of Global Navigation Satellite System (GNSS) signals since the environment determines the type and quality of electromagnetic signals available for positioning.Although many navigation and positioning techniques have been developed, none is capable of providing a reliable and accurate position in all contexts. Therefore, in order to deploy a localization function capable of operating in different contexts, based on low cost sensors, mainly GNSS and Inertial Navigation system (IMU), it is necessary, from the design phase, to develop strategies that solve both the antagonism of certain requirements and the adaptation to changing environment/dynamics. In this context, this thesis proposes a diagnostic layer that adapts by deep learning methods to changes in the context and adjusts the trade-off between functional requirements. This layer is integrated in a fault-tolerant data fusion framework through an informational divergence, the α-Rényi divergence, known by its generalization of other divergences such as the Kullback-Leibler divergence, the Bhattacharyya distance. In order to detect and isolate the divergence faults based on the generation of residuals, we offer the solution of selecting the appropriate residual for each situation by fixing the value of the parameter α using artificial intelligence technologies in order to increase the detectability of the defects. In order to increase the availability of the system while maintaining an acceptable level of operational safety, a context-sensitive threshold that adjusts the trade-off between the probability of false alarm and the probability of missed detection is proposed. To test and validate the proposed approaches, two types of data have been provided; real by the PRETIL platform of the CRIStAL laboratory and simulated by the Stella NGC simulator as a part of the ANR LOCSP project.