Applying Formal Methods to Autonomous Vehicle Control

par Yann Duplouy

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Serge Haddad.

Soutenue le 26-11-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication , en partenariat avec Ecole normale supérieure Paris-Saclay (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Spécification et Vérification (Cachan, Val-de-Marne). (laboratoire) .

Le président du jury était Nihal Pekergin.

Le jury était composé de Serge Haddad, Nihal Pekergin, Thao Dang, Isabel Demongodin, Loïc Hélouët, Béatrice Bérard, Leïla Kloul.

Les rapporteurs étaient Thao Dang, Isabel Demongodin.

  • Titre traduit

    Application des méthodes formelles au contrôle du véhicule autonome


  • Résumé

    Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la conception de véhicules autonomes, et plus spécifiquement de la vérification de contrôleurs de tels véhicules. Nos contributions à la résolution de ce problème sont les suivantes : (1) fournir une syntaxe et une sémantique pour un modèle de systèmes hybrides, (2) étendre les fonctionnalités du model checker statistique Cosmos à ce modèle et (3) valider empiriquement la pertinence de notre approche sur des cas d'étude typiques du véhicule autonome.Nous avons choisi de combiner le modèle des réseaux de Petri stochastiques de haut niveau (qui était le formalisme d'entrée de Cosmos) avec le formalisme d'entrée de Simulink afin d'atteindre un pouvoir d'expression suffisant. En effet Simulink est très largement utilisé dans le domaine automobile et de nombreux contrôleurs sont spécifiés avec cet outil. Or Simulink n'a pas de sémantique formellement définie. Ceci nous a conduit à concevoir une telle sémantique en deux temps : tout d'abord en introduisant une sémantique dite exacte mais qui n'est pas opérationnelle puis en la complétant par une sémantique approchée intégrant le facteur d'approximation recherché.Afin de combiner le modèle à événements discrets des réseaux de Petri et le modèle continu spécifié en Simulink, nous avons proposé au niveau syntaxique une interfacereposant sur de nouveaux types de transitions et au niveau sémantique une extension de la boucle de simulation. L'évaluation de ce nouveau formalisme a été entièrement implémentée dans Cosmos.Grace à ce nouveau formalisme, nous avons développé et étudié les deux cas d'étude suivants : d'une part une circulation dense sur une section d'autoroute et d'autre part l'insertion du véhicule dans une voie rapide. L'analyse des modélisations correspondantes a démontré la pertinence de notre approche.


  • Résumé

    This thesis takes place in the context of autonomous vehicle design, and concerns more specifically the verification of controllers of such vehicles. Our contributions are the following: (1) give a syntax and a semantics for a hybrid system model, (2) extend the capacities of the model-checker Cosmos to that kind of models, and (3) empirically confirm the relevance of our approach on typical case studies handling autonomous vehicles.We chose to combine high-level stochastic Petri nets (which is the input formalism of Cosmos) with the input formalism of Simulink, to obtain an adequate expressive power. Indeed, Simulink is largely used in the automotive industry and numerous controllers have been specified using this tool. However, there is no formal semantics for Simulink, which lead us to define such a semantics in two steps:first, we propose an exact (but not operational) semantics, then we complete it by an approximate semantics that includes the targeted approximation level.In order to combine the discrete event model of Petri nets and the continous model specified in Simulink, we define a syntactic interface that relies on new transition types; its semantics consists of an extension of the simulation loop. The evaluation of this new formalism has been entirely implemented into Cosmos.Using this new formalism, we have designed and studied the two following case studies: on one hand, a heavy traffic on a motorway segment, and on the other hand the insertion of a vehicle into a motorway. Our approach has been validated by the analysis of the corresponding models.


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