Behaviour Modelling and System Control with Human in the Loop

par Stevine Obura Onyango

Thèse de doctorat en Signal, Image, Automatique

Sous la direction de Boubaker Daachi, Karim Djouani et de Yskandar Hamam.

Le président du jury était Eric Monacelli.

Le jury était composé de Boubaker Daachi, Karim Djouani, Yskandar Hamam, Anna Pappa.

Les rapporteurs étaient Hichem Arioui, Abdelouahab Zaatri.

  • Titre traduit

    Modélisation du comportement et commande avec l'humain dans la boucle


  • Résumé

    Malgré le progrès en recherche et développement dans le domaine de système autonome, de tels systèmes nécessitent l’intervention humaine pour résoudre les problèmes imprévus durant l’exécution des tâches par l’utilisateur.Il est donc nécessaire, malgré cette autonomie, de tenir compte du comportement du conducteur et il est difficile d’ignorer l’effet de l’intervention humaine dans le cadre de l’évolution continue de l’environnement et des préférences de l’utilisateur. Afin d’exécuter les opérations selon les attentes de l’opérateur, il est nécessaire d’incorporer dans la commande les besoins de l’utilisateur.Dans les travaux présentés dans cette thèse un modèle comportemental de l’utilisateur est développé et intégré dans la boucle de commande afin d’adapter la commande à l’utilisateur. Ceci est appliqué à la commande des fauteuils électrique et assiste dans la navigation du fauteuil dans un milieu encombré.Le développement du modèle comportemental est basé sur la méthode de potentielles orientées et la détection des obstacles et le comportement du conducteur vs de ces obstacles par l’adaptation duL’étude contribue également au développement d’un modèle dynamique du fauteuil utilisable dans des situations normales et exceptionnelles telle que le dérapage. Ce modèle est développé pour un le cas le plus courant des fauteuil avec roues arrière conductrices utilisant le formalisme Euler Lagrange avec les forces gravitationnelles et sur des surfaces inclinées.Dans la formulation de la commande, le modèle du conducteur est introduit dans la boucle de commande. L’optimalité de la performance est assurée par l’utilisation du commande prédictif généralisé pour le système en temps continue. Les résultats de la simulation démontrent l’efficacité de l’approche proposée pour l’adaptation de la commande au comportement du conducteur


  • Résumé

    Although the progressive research and development of autonomous systems is fairly evident, such systems still require human interventions to solve the unforeseen complexities, and clear the uncertainties encountered in the execution of user-tasks. Thus, in spite of the system's autonomy, it may not be possible to absolutely disregard the operator's role. Human intervention, particularly in the control of auto-mobiles, may as well be hard to ignore because of the constantly changing operational context and the evolving nature of the drivers' needs and preferences. In order to execute the autonomous operations in conformity with the operator's expectations, it may be necessary to incorporate the advancing needs and behaviour of the operator in the design. This thesis formulates an operator behaviour model, and integrates the model in the control loop to adapt the functionality of a human-machine system to the operator's behaviour. The study focuses on a powered wheelchair, and contributes to the advancement of steering performance, through background assistance by modelling, empirical estimation and incorporation of the driver's steering behaviour into the control system. The formulation of the steering behaviour model is based on two fundamentals: the general empirical knowledge of wheelchair steering, and the experimental steering data captured by a standard powered wheelchair, on both virtual and real environments. The study considers a reactive directed potential field (DPF) method in the modelling of drivers' risk detection and avoidance behaviour, and applies the ordinary least square procedure in the identification of best-fitting driver parameters. The study also contributes to the development of a dynamic model of the wheelchair, usable under normal and non-normal conditions, by taking into consideration the conventional differential drive wheelchair structure with two front castor wheels. Derivation of the dynamic model, based on the Euler Lagrange formalism, is carried out in two folds: initially by considering the gravitational forces subjected to the wheelchair on inclined configurations with no slipping situations, and finally by incorporating slipping parameters into the model. Determination of the slipping parameters is approached from the geometric perspective, by considering the non-holonomic motions of the wheelchair in the Euclidean space. In the closed-loop model, the input-output feedback controller is proposed for the tracking of user inputs by torque compensation. The optimality of the resulting minimum-phase closed-loop system is then ensured through the performance index of the non-linear continuous-time generalised predictive control (GPC). Simulation results demonstrate the expected behaviour of the wheelchair dynamic model, the steering behaviour model and the assistive capability of the closed-loop system


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