Conception conjointe d'algorithmes de contrôle et de protocoles de communication pour les véhicules autonomes et connectés

Joint design of control algorithms and communication protocols for Connected and Automated Vehicles

• Auteur / Autrice : Adel Bechihi
• Direction : Elena Panteley, Arnaud Bouttier, Pierre Duhamel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Girard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samson Lasaulce, Denis Efimov, Lara Brinon Arranz, Mattia Mattioni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samson Lasaulce, Denis Efimov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes dynamiques hybrides

Kalman, Filtrage de

Véhicules autonomes

5G (téléphonie mobile)

Traitement réparti

Mots clés libres

Systèmes multi-Agents

Communications 5G

Algorithme du Consensus

Contrôle de formation

Systèmes hybrides

Filtres de Kalman

Multi-Agent systems

5G communications

Consensus algorithm

Formation control

Hybrid systems

Kalman filters

Résumé

Dans cette thèse, nous nous adressons le problème du contrôle de systèmes multi-agents connectés via des modèles réalistes de systèmes de communication. Nous traitons principalement les systèmes de véhicules connectés et automatisés (CAVs) communiquant via des systèmes de communication 5G qui permettent deux types de communication : la communication directe entre les nœuds, connue sous le nom de communication véhicule-à-véhicule (V2V), et la communication à travers l'infrastructure réseau, qui est la manière traditionnelle de communiquer dans les réseaux cellulaires.La thèse traite de trois problèmes : premièrement, nous analysons les propriétés de stabilité et de convergence de l'algorithme du consensus pour agents d'intégrateurs du premier ordre en utilisant un schéma d'accès multiple par répartition temporelle (TDMA) pour partager les ressources du réseau d'un canal de communication partagé. La stabilité exponentielle du système considéré est démontrée, et une borne explicite dépendant des paramètres du système de communication est fournie pour estimer la vitesse de convergence. Ensuite, nous abordons le problème du contrôle de formation d'un groupe de véhicules connectés dans un contexte de communication 5G. Nous proposons un algorithme d'allocation de ressources pour sélectionner les utilisateurs émetteurs afin d'atteindre la formation souhaitée tout en respectant les contraintes imposées par le couche de communication. Enfin, nous étudions les propriétés de stabilité des filtres de Kalman pour les systèmes hybrides, précisément, des systèmes avec une dynamique en temps continu observée à travers des mesures en temps discret. La stabilité d'entrée-à-état (ISS) est démontrée pour de tels systèmes en utilisant une fonction de Lyapunov appropriée. Ce résultat peut être considéré comme une première étape dans l'analyse de la robustesse du système global, car il permet de prendre en compte les effets des erreurs de communication sur la stabilité du système contrôlé.

In this thesis, we address the problem of control of multi-agent systems connected over realistic models of communication systems. We mainly focus on systems of connected and automated vehicles (CAVs) that communicate through a 5G communication system, which allows two types of communication: direct communication between nodes, known as Vehicle-to-Vehicle (V2V) communications, and communication through the network infrastructure, which is the traditional way of communication in cellular networks.The thesis discusses three problems: first, we analyze the stability and convergence properties of the consensus algorithm of first-order integrator agents using a time-division multiple access (TDMA) scheme to share the network resources of a broadcast shared communication channel. Exponential stability of the considered system is proved, and an explicit bound depending on the communication system parameters is provided to estimate the convergence rate. Second, we treat the problem of formation control of a float of connected vehicles in a 5G communication context. We propose a resource allocation algorithm to select the transmitting users to achieve the desired formation while satisfying the constraints imposed by the communication system. Finally, we study the stability properties of Kalman filters for hybrid systems, i.e., systems with continuous-time dynamics observed through discrete-time measurements. Input-to-state stability (ISS) is proved for such systems relying on an appropriate Lyapunov function. This result can be considered as a first step in the robustness analysis of the overall system since it allows to treat the effects of communication errors on the controlled system stability.