Model predictive control for autonomous and cooperative driving

La conduite autonome a attiré une attention croissante au cours des dernières décennies en raison de son potentiel impact socio-économique, notamment concernant la réduction du nombre d'accidents de la route et l'amélioration de l'efficacité du trafic. Grâce à l'effort de plusieurs instituts de recherche et d'entreprises, les véhicules autonomes ont déjà accumulé des dizaines de millions de kilomètres parcourus dans des conditions de circulation réelles. Cette thèse porte sur la conception d'une architecture de contrôle pour les véhicules autonomes et coopératifs dans l'optique de leur déploiement massif. La base commune des différentes architectures proposées dans cette thèse est le Contrôle-Commande Prédictif, reconnu pour son efficacité et sa polyvalence. Nous présentons tout d'abord une architecture classique de contrôle hiérarchique, qui utilise la commande prédictive pour planifier un déplacement (choix de trajectoire), puis déterminer un contrôle permettant de suivre cette trajectoire. Toutefois, comme nous le montrons dans un deuxième temps, cette architecture simple n'est pas capable de gérer certaines contraintes logiques, notamment liées aux règles de circulation et à l'existence de choix de trajectoires discrets. Nous proposons donc approche hybride de la commande prédictive, que nous utilisons pour développer une architecture de contrôle pour un véhicule autonome individuel. Nous étudions le problème de contrôler un ensemble de véhicules autonomes circulant en convoi, i.e. maintenir une formation prédéterminée sans intervention humaine. Pour ce faire, nous utilisons à nouveau une architecture hiérarchique basée sur la commande prédictive, composée d'un superviseur de convoi et de contrôleurs pour chaque véhicule individuel. Enfin, nous proposons encore une architecture pour le problème de coordonner un groupe de véhicules autonomes dans une intersection sans feux de circulation, en utilisant un contrôleur d'intersection et en adaptant les contrôleurs des véhicules individuels pour leur permettre de traverser l'intersection en toute sécurité.Autonomous driving has been gaining more and more attention in the last decades, thanks to its positive social-economic impacts including the enhancement of traffic efficiency and the reduction of road accidents. A number of research institutes and companies have tested autonomous vehicles in traffic, accumulating tens of millions of kilometers traveled in autonomous driving. With the vision of massive deployment of autonomous vehicles, researchers have also started to envision cooperative strategies among autonomous vehicles. This thesis deals with the control architecture design of individual autonomous vehicles and cooperative autonomous vehicles. Model Predictive Control (MPC), thanks to its efficiency and versatility, is chosen as the building block for various control architectures proposed in this thesis. In more detail, this thesis first presents a classical hierarchical control architecture for individual vehicle control that decomposes the controller into a motion planner and a tracking controller, both using nonlinear MPC. In a second step, we analyze the inability of the proposed planner in handling logical constraints raised from traffic rules and multiple maneuver variants, and propose a hybrid MPC based motion planner that solves this issue. We then consider the convoy control problem of autonomous vehicles in which multiple vehicles maintain a formation during autonomous driving. A hierarchical formation control architecture is proposed composing of a convoy supervisor and local MPC based vehicle controllers. Finally, we consider the problem of coordinating a group of autonomous vehicles at an intersection without traffic lights. A hierarchical architecture composed of an intersection controller and multiple local vehicle controllers is proposed to allow vehicles to cross the intersection smoothly and safely