Mesure de distance et transmission de données inter-véhicules par phares à LED

Vehicle-to-Vehicle Visible Light Range-Finding and Communication Using the Automotive LED Lighting

• Auteur / Autrice : Bastien Bechadergue
• Direction : Luc Chassagne, Hongyu Guan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 10/11/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• 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 d'Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV) - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Vèque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominic O’Brien, Fawzi Nashashibi, Jean-Laurent Franchineau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Julien-Vergonjanne, Thierry Bosch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes électroluminescentes

Télécommunications optiques

Systèmes de communication sans fil

Véhicules autonomes

Mots clés libres

Communication optique sans fil

Mesure de distance

Véhicule autonome

LiFi

Visible light communication

Distance measurement

Autonomous vehicle

Résumé

En réponse aux problèmes croissants liés aux transports routiers - accidents, pollutions,congestions - les véhicules à faibles émissions, équipés de systèmes de transports intelligents (ITS)sont progressivement développés. Si la finalité de cette démarche est le véhicule entièrementautonome, on peut néanmoins s'attendre à voir d'abord sur nos routes des véhicules automatisés surdes phases de conduite spécifiques. C'est le cas du convoi automatisé, qui permet à plusieursvéhicules de rouler en convois de manière automatique et donc d'augmenter la capacité des voies decirculation tout en réduisant la consommation de carburant. La fiabilité de cet ITS repose surplusieurs briques technologiques, et en particulier sur la mesure de distance et la transmission dedonnées véhicule-véhicule (V2V).De nombreux systèmes permettent de réaliser ces deux fonctions vitales comme, par exemple, lesradars ou lidars pour la mesure de distance et la technologie IEEE 802.11p pour la communicationvéhiculaire. Si ces différents dispositifs présentent de très bonnes performances, ils sont néanmoinsparticulièrement sensibles aux interférences, qui ne cessent de se multiplier à mesure que le nombrede véhicules équipés augmente et que le trafic est dense. Pour pallier les dégradations deperformances induites par de telles situations, des technologies complémentaires pourraient donc êtreutiles. Le récent développement des diodes électroluminescentes (LED) blanches, en particulier pourl'éclairage automobile, a permis l'émergence des communications optiques visibles sans fil (VLC).Les phares à LED sont alors utilisés pour transmettre des données entre véhicules et avec lesinfrastructures. Malgré la puissance limitée de ces éclairages, plusieurs études ont montré qu'unetransmission de qualité est possible sur quelques dizaines de mètres, faisant de la VLC uncomplément particulièrement intéressant à l'IEEE 802.11p, en particulier pour les convoisautomatisés. Par analogie, on peut alors se demander si les phares ne pourraient pas être aussi utiliséspour mesurer la distance V2V.Le but de cette thèse est donc de proposer et évaluer un système dédié aux situations de convoisautomatisés qui, à partir des phares avant et arrière des véhicules, transmet des données et mesuresimultanément la distance V2V. Dans un premier temps, une étude détaillée de l'état de l'art de laVLC pour la communication V2V est effectuée afin de déterminer l'architecture de base de notresystème. La fonction de mesure de distance est ensuite ajoutée, après une revue des différentestechniques usuelles. Une fois l'architecture générale du système établie, elle est dans un premiertemps validée par des simulations avec le logiciel Simulink. En particulier, les différents paramètressont étudiés afin de déterminer leur impact sur la résolution de mesure de distance et les performancesen transmission de données, puis afin de les optimiser. Si ces simulations fournissent des indicateursimportants pour la compréhension du système, elles ne peuvent cependant remplacer les tests d'unprototype réel. L'implémentation de ce prototype est alors détaillée ainsi que les tests réalisés dansdifférentes configurations. Ces différents tests démontrent l'intérêt des solutions proposées pour lamesure de distance et la communication V2V en convois automatisés.

In response to the growing issues induced by road traffic - accidents, pollution, congestion- low-carbon vehicles equipped with intelligent transportation systems (ITS) are being developed.Although the final goal is full autonomy, the vehicles of the near future will most probably be selfdrivingin certain phases only, as in platooning. Platooning allows several vehicles to moveautomatically in platoons and thus to increase road capacity while reducing fuel consumption. Thereliability of this ITS is based on several core technologies and in particular on vehicle-to-vehicle(V2V) distance measurement and data transmission.These two vital functions can be implemented with several kinds of systems as, for instance, radars orlidars for range-finding and IEEE 802.11p-based devices for vehicular communication. Althoughthese systems provide good performances, they are very sensitive to interferences, which may be agrowing issue as the number of vehicles equipped will increase, especially in dense traffic scenario.In order to mitigate the performance degradation occurring in such situations, complementarysolutions may be useful. The recent developments of white light-emitting diodes (LED), especiallyfor the automotive lighting, has allowed the emergence of visible light communication (VLC). WithVLC, the vehicle headlamps and taillights are used to transmit data to other vehicles orinfrastructures. Despite the limited optical power available, several studies have shown thatcommunication over tens of meters are possible with a low bit error rate (BER). VLC could thus bean interesting complement to IEEE 802.11p, especially in platooning applications. By analogy, onecould wonder if the automotive lighting can also be used for V2V range-finding.The goal of this thesis is thus to propose and evaluate a system dedicated to platooning configurationsthat can perform simultaneously the V2V distance measurement and data transmission functionsusing the headlamps and taillights of the vehicles. The first step of this study is thus a detailed stateof-the art on VLC for V2V communication that will lead to a first basic architecture of our system.Then, the range-finding function is added, after a careful review of the classical techniques. Once thegeneral architecture of the system is drawn, it is validated through simulations in the Simulinkenvironment. The different degrees of freedom in the system design are especially studied, in orderfirst to evaluate their impact on the measurement resolution and the communication performances,and then to be optimized. Although these simulations provide crucial keys to understand the system,they cannot replace real prototype testing. The implementation of the prototype is thus fullydescribed, along with the results of the different experiments carried out. It is finally demonstratedthat the proposed solution has a clear interest for V2V range-finding and communication inplatooning applications.