State estimation and trajectory planning using box particle kernels

par Nicolas Merlinge

Thèse de doctorat en Automatique

Sous la direction de Hélène Piet-Lahanier et de James Brusey.

  • Titre traduit

    Estimation d'état et planification de trajectoire par mixtures de noyaux bornés


  • Résumé

    L'autonomie d'un engin aérospatial requière de disposer d'une boucle de navigation-guidage-pilotage efficace et sûre. Cette boucle intègre des filtres estimateurs et des lois de commande qui doivent dans certains cas s'accommoder de non-linéarités sévères et être capables d'exploiter des mesures ambiguës. De nombreuses approches ont été développées à cet effet et parmi celles-ci, les approches particulaires présentent l'avantage de pouvoir traiter de façon unifiée des problèmes dans lesquels les incertitudes d’évolution du système et d’observation peuvent être soumises à des lois statistiques quelconques. Cependant, ces approches ne sont pas exemptes de défauts dont le plus important est celui du coût de calcul élevé. D'autre part, dans certains cas, ces méthodes ne permettent pas non plus de converger vers une solution acceptable. Des adaptations récentes de ces approches, combinant les avantages du particulaire tel que la possibilité d'extraire la recherche d'une solution d'un domaine local de description et la robustesse des approches ensemblistes, ont été à l'origine du travail présenté dans cette thèse.Cette thèse présente le développement d’un algorithme d’estimation d’état, nommé le Box Regularised Particle Filter (BRPF), ainsi qu’un algorithme de commande, le Box Particle Control (BPC). Ces algorithmes se basent tous deux sur l’utilisation de mixtures de noyaux bornés par des boites (i.e., des vecteurs d’intervalles) pour décrire l’état du système sous la forme d’une densité de probabilité multimodale. Cette modélisation permet un meilleur recouvrement de l'espace d'état et apporte une meilleure cohérence entre la prédite et la vraisemblance. L’hypothèse est faite que les incertitudes incriminées sont bornées. L'exemple d'application choisi est la navigation par corrélation de terrain qui constitue une application exigeante en termes d'estimation d'état.Pour traiter des problèmes d’estimation ambiguë, c’est-à-dire lorsqu’une valeur de mesure peut correspondre à plusieurs valeurs possibles de l’état, le Box Regularised Particle Filter (BRPF) est introduit. Le BRPF est une évolution de l’algorithme de Box Particle Filter (BPF) et est doté d’une étape de ré-échantillonnage garantie et d’une stratégie de lissage par noyau (Kernel Regularisation). Le BRPF assure théoriquement une meilleure estimation que le BPF en termes de Mean Integrated Square Error (MISE). L’algorithme permet une réduction significative du coût de calcul par rapport aux approches précédentes (BPF, PF). Le BRPF est également étudié dans le cadre d’une intégration dans des architectures fédérées et distribuées, ce qui démontre son efficacité dans des cas multi-capteurs et multi-agents.Un autre aspect de la boucle de navigation–guidage-pilotage est le guidage qui nécessite de planifier la future trajectoire du système. Pour tenir compte de l'incertitude sur l'état et des contraintes potentielles de façon versatile, une approche nommé Box Particle Control (BPC) est introduite. Comme pour le BRPF, le BPC se base sur des mixtures de noyaux bornés par des boites et consiste en la propagation de la densité d’état sur une trajectoire jusqu’à un certain horizon de prédiction. Ceci permet d’estimer la probabilité de satisfaire les contraintes d’état au cours de la trajectoire et de déterminer la séquence de futures commandes qui maintient cette probabilité au-delà d’un certain seuil, tout en minimisant un coût. Le BPC permet de réduire significativement la charge de calcul.


  • Résumé

    State estimation and trajectory planning are two crucial functions for autonomous systems, and in particular for aerospace vehicles.Particle filters and sample-based trajectory planning have been widely considered to tackle non-linearities and non-Gaussian uncertainties.However, these approaches may produce erratic results due to the sampled approximation of the state density.In addition, they have a high computational cost which limits their practical interest.This thesis investigates the use of box kernel mixtures to describe multimodal probability density functions.A box kernel mixture is a weighted sum of basic functions (e.g., uniform kernels) that integrate to unity and whose supports are bounded by boxes, i.e., vectors of intervals.This modelling yields a more extensive description of the state density while requiring a lower computational load.New algorithms are developed, based on a derivation of the Box Particle Filter (BPF) for state estimation, and of a particle based chance constrained optimisation (Particle Control) for trajectory planning under uncertainty.In order to tackle ambiguous state estimation problems, a Box Regularised Particle Filter (BRPF) is introduced.The BRPF consists of an improved BPF with a guaranteed resampling step and a smoothing strategy based on kernel regularisation.The proposed strategy is theoretically proved to outperform the original BPF in terms of Mean Integrated Square Error (MISE), and empirically shown to reduce the Root Mean Square Error (RMSE) of estimation.BRPF reduces the computation load in a significant way and is robust to measurement ambiguity.BRPF is also integrated to federated and distributed architectures to demonstrate its efficiency in multi-sensors and multi-agents systems.In order to tackle constrained trajectory planning under non-Gaussian uncertainty, a Box Particle Control (BPC) is introduced.BPC relies on an interval bounded kernel mixture state density description, and consists of propagating the state density along a state trajectory at a given horizon.It yields a more accurate description of the state uncertainty than previous particle based algorithms.A chance constrained optimisation is performed, which consists of finding the sequence of future control inputs that minimises a cost function while ensuring that the probability of constraint violation (failure probability) remains below a given threshold.For similar performance, BPC yields a significant computation load reduction with respect to previous approaches.


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