Compréhension de situation et estimation de risques pour les aides à la conduite préventives

par Alexandre Armand

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de David Filliat.

Soutenue le 31-05-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Approches interdisciplinaires : fondements, applications et innovation (Palaiseau, Essonne) , en partenariat avec U2IS - Unité d'Informatique et d'Ingénierie des Systèmes (laboratoire) , École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) , Unité d'Informatique et d'Ingénierie des Systèmes / ENSTA ParisTech U2IS (laboratoire) et de Flowing Epigenetic Robots and Systems / FLOWERS (laboratoire) .

Le président du jury était Christian Laugier.

Le jury était composé de David Filliat, Urbano Nunes, Javier Ibanez guzman, Ernesto Exposito.

Les rapporteurs étaient Karl Iagnemma.


  • Résumé

    Les nouvelles voitures sont pourvues d’aides à la conduite qui améliorent le confort et la sécurité. Bien que ces systèmes contribuent à la réduction des accidents de la route, leur déploiement montre que leurs performances sont encore limitées par leur faible compréhension de situation. Cela est principalement lié aux limites des capteurs de perception, et à la non prise en compte du contexte. Ces limites se traduisent par des détections de risques tardives, et donc en assistances sous forme d’alertes ou de freinages automatiques. Cette thèse se concentre sur l’introduction d’informations contextuelles dans le processus de décision des systèmes d’aides à la conduite. Le but est de détecter des risques plus tôt que les systèmes conventionnels, ainsi que d’améliorer la confiance qu’on peut avoir dans les informations générées.Le comportement d’un véhicule dépend de divers éléments tels que le réseau routier, les règles de la circulation, ainsi que de la cohabitation avec d’autres usagers de la route. Ces interactions se traduisent par une interdépendance forte entre chaque élément. De plus, bien que chaque conducteur doive suivre les mêmes règles de circulation, ils peuvent réagir de façon différente à une même situation. Cela implique qu’un même comportement peut être considéré comme sûr ou risqué, selon le conducteur. Ces informations doivent être prises en compte dans le processus de prise de décision des systèmes. Cette thèse propose un cadre qui combine les informations a priori contenues dans les cartes de navigation numériques avec l’information temps réel fournie par les capteurs de perception et/ou communications sans fil, pour permettre une meilleure compréhension de situation et ainsi mieux anticiper les risques. Ce principe est comparable aux tâches qu’un copilote doit accomplir. Ces travaux se répartissent en deux principales étapes : la compréhension de situation, et l’estimation des risques.L’étape de compréhension de situation consiste à donner du sens aux différentes observations réalisées par les capteurs de perception, en exploitant des informations a priori. Le but est de comprendre comment les entités perçues interagissent, et comment ces interactions contraignent le comportement du véhicule. Cette étape établit les relations spatio-temporelles entre les entités perçues afin d’évaluer leur pertinence par rapport au véhicule, et ainsi extraire les entités les plus contraignantes. Pour cela, une ontologie contenant des informations a priori sur la façon dont différentes entités de la route interagissent est proposée. Cette première étape a été testée en temps réel, utilisant des données enregistrées sur un véhicule évoluant en environnements contraints.L’étape de détection des risques s’appuie sur la situation perçue, et sur les signes annonciateurs de risques. Le cas d’usage choisi pour cette étude se concentre sur les intersections, puisqu’une grande majorité des accidents de la route y ont lieux. La manière de réagir d’un conducteur lorsqu’il se rapproche d’une intersection est apprise par des Processus Gaussiens. Cette connaissance à priori du conducteur est ensuite exploitée, avec les informations contextuelles, par un réseau Bayésien afin d’estimer si le conducteur semble interagir comme attendu avec l’intersection. L’approche probabiliste qui a été choisie permet de prendre en compte les incertitudes dont souffrent chacune des sources d’information. Des tests ont été réalisés à partir de données enregistrées à bord d’un véhicule afin de valider l’approche. Les résultats montrent qu’en prenant en compte les individualités des conducteurs, leurs actions sur le véhicule, ainsi que l’état du véhicule, il est possible de mieux estimer si le conducteur interagit comme attendu avec l’environnement, et donc d’anticiper les risques. Finalement, il est montré qu’il est possible de générer une assistance plus préventive que les systèmes d’aide à la conduite conventionnels.

  • Titre traduit

    Situation understanding and risk assessment framework for preventive driver assistance


  • Résumé

    Modern vehicles include advanced driving assistance systems for comfort and active safety features. Whilst these systems contribute to the reduction of road accidents, their deployment has shown that performance is constrained by their limited situation understanding capabilities. This is mainly due to perception constraints and by ignoring the context within which these vehicles evolve. It results in last minute risk assessment, and thus in curative assistance in the form of warning alerts or automatic braking. This thesis focuses on the introduction of contextual information into the decision processes of driving assistance systems. The overall purpose is to infer risk earlier than conventional driving assistance systems, as well as to enhance the level of trust on the information provided to drivers.Several factors govern the vehicle behaviour. These include the road network and traffic rules, as well as other road users such as vehicles and pedestrians with which the vehicle interacts. This results in strong interdependencies amongst all entities, which govern their behaviour. Further, whilst traffic rules apply equally to all participants, each driver interacts differently with the immediate environment, leading to different risk level for a given behaviour. This information must be incorporated within the decision-making processes of these systems. In this thesis, a framework is proposed that combines a priori information from digital navigation maps with real time information from on board vehicle sensors and/or external sources via wireless communications links, to infer a better situation understanding, which should enable to anticipate risks. This tenet is similar to the task of a co-pilot when using a priori notated road information. The proposed approach is constrained by using only data from close to production sensors. The framework proposed in this thesis consists of two phases, namely situation understanding and risk assessment.The situation understanding phase consists in performing a high level interpretation of all observations by including a priori information within the framework. The purpose is to understand how the perceived road entities interact, and how the interactions constrain the vehicle behaviour. This phase establishes the spatio-temporal relationships between the perceived entities to determine their relevance with respect to the subject vehicle motion, and then to identify which entities to be tracked. For this purpose, an ontology is proposed. It stores a priori information about the manner how different road entities relate and interact. This initial phase was tested in real time using data recorded on a passenger vehicle evolving in constrained environments.The risk assessment phase then looks into the perceived situation and into the manner how it becomes dangerous. To demonstrate the framework applicability, a use case applied to road intersections was chosen. Intersections are complex parts in the road network where different entities converge and most accidents occur. In order to detect risk situations, the manner how the driver reacts in a given situation is learned through Gaussian Processes. This knowledge about the driver is then used within a context aware Bayesian Network to estimate whether the driver is likely to interact as expected with the relevant entities or not. The probabilistic approach taken allows to take into consideration all uncertainties embedded in the observations. Field trials were performed using a passenger vehicle to validate the proposed approach. The results show that by incorporating drivers’ individualities and their actuations with the observation of the vehicle state, it is possible to better estimate whether the driver interacts as expected with the environment, and thus to anticipate risk. Further, it is shown that it is possible to generate assistance earlier than conventional safety systems.


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