Vers une prédiction et une prise de décision inspirées de celles des humains pour la conduite automatisée de véhicules sur autoroute

During the past few decades automakers have consistently introduced technological innovations aimed to make road vehicles safer. The level of sophistication of these advanced driver assistance systems has increased parallel to developments in sensor technology and embedded computing power. More recently, a lot of the research made both by industry and institutions has concentrated on achieving fully automated driving. The potential societal benefits of this technology are numerous, including safer roads, improved traffic flows, increased mobility for the elderly and the disabled, and optimized human productivity. However, before autonomous vehicles can be commercialized they should be able to safely share the road with human drivers. In other words, they should be capable of inferring the state and intentions of surrounding traffic from the raw data provided by a variety of onboard sensors, and to use this information to make safe navigation decisions. Moreover, in order to truly navigate safely they should also consider potential obstacles not observed by the sensors (such as occluded vehicles or pedestrians). Despite the apparent complexity of the task, humans are extremely good at predicting the development of traffic situations. After all, the actions of any traffic participant are constrained by the road network, by the traffic rules, and by a risk-aversive common sense. The lack of this ability to naturally understand a traffic scene constitutes perhaps the major challenge holding back the large-scale deployment of truly autonomous vehicles in the roads.In this thesis, we address the full pipeline from driver behavior modeling and inference to decision-making for navigation. In the first place, we model the behavior of a generic driver automatically from demonstrated driving data, avoiding thus the traditional hand-tuning of the model parameters. This model encodes the preferences of a driver with respect to the road network (e.g. preferred lane or speed) and also with respect to other road users (e.g. preferred distance to the leading vehicle). Secondly, we describe a method that exploits the learned model to predict the future sequence of actions of any driver in a traffic scene up to the distant future. This model-based prediction method assumes that all traffic participants behave in a risk-aware manner and can therefore fail to predict dangerous maneuvers or accidents. To be able to handle such cases, we propose a more sophisticated probabilistic model that estimates the state and intentions of surrounding traffic by combining the model-based prediction with the dynamic evidence provided by the sensors. In a way, the proposed model mimics the reasoning process of human drivers: we know what a given vehicle is likely to do given the situation (this is given by the model), but we closely monitor its dynamics to detect deviations from the expected behavior. In practice, combining both sources of information results in an increased robustness of the intention estimates in comparison with approaches relying only on dynamic evidence. Finally, the learned driver behavioral model and the prediction model are integrated within a probabilistic decision-making framework. The proposed methods are validated with real-world data collected with an instrumented vehicle. Although focused on highway environments, this work could be easily adapted to handle alternative traffic scenarios.Au cours des dernières décennies, les constructeurs automobiles ont constamment introduit des innovations technologiques visant à rendre les véhicules plus sûrs. Le niveau de sophistication de ces systèmes avancés d’aide à la conduite s’est accru parallèlement aux progrès de la technologie des capteurs et de la puissance informatique intégrée. Plus récemment, une grande partie de la recherche effectuée par l'industrie et les institutions s'est concentrée sur l'obtention d'une conduite entièrement automatisée. Les avantages sociétaux potentiels de cette technologie sont nombreux, notamment des routes plus sûres, des flux de trafic améliorés et une mobilité accrue pour les personnes âgées et les handicapés. Toutefois, avant que les véhicules autonomes puissent être commercialisés, ils doivent pouvoir partager la route en toute sécurité avec d’autres véhicules conduits par des conducteurs humains. En d'autres termes, ils doivent pouvoir déduire l'état et les intentions du trafic environnant à partir des données brutes fournies par divers capteurs embarqués, et les utiliser afin de pouvoir prendre les bonnes décisions de conduite sécurisée. Malgré la complexité apparente de cette tâche, les conducteurs humains ont la capacité de prédire correctement l’évolution du trafic environnant dans la plupart des situations. Cette capacité de prédiction est rendu plus simple grâce aux règles imposées par le code de la route qui limitent le nombre d’hypothèses; elle repose aussi sur l’expérience du conducteur en matière d’évaluation et de réduction du risque. L'absence de cette capacité à comprendre naturellement une scène de trafic constitue peut-être, le principal défi qui freine le déploiement à grande échelle de véhicules véritablement autonomes sur les routes.Dans cette thèse, nous abordons les problèmes de modélisation du comportement du conducteur, d'inférence sur le comportement des autres véhicules, et de la prise de décision pour la navigation sûre. En premier lieu, nous modélisons automatiquement le comportement d'un conducteur générique à partir de données de conduite démontrées, évitant ainsi le réglage manuel traditionnel des paramètres du modèle. Ce modèle codant les préférences d’un conducteur par rapport au réseau routier (par exemple, voie ou vitesse préférées) et aux autres usagers de la route (par exemple, distance préférée au véhicule de devant). Deuxièmement, nous décrivons une méthode qui utilise le modèle appris pour prédire la séquence des actions à long terme de tout conducteur dans une scène de trafic. Cette méthode de prédiction suppose que tous les acteurs du trafic se comportent de manière aversive au risque, et donc ne peut pas prévoir les manœuvres dangereux ou les accidents. Pour pouvoir traiter de tels cas, nous proposons un modèle probabiliste plus sophistiqué, qui estime l'état et les intentions du trafic environnant en combinant la prédiction basée sur le modèle avec les preuves dynamiques fournies par les capteurs. Le modèle proposé imite ainsi en quelque sorte le processus de raisonnement des humains. Nous humains, savons ce qu’un véhicule est susceptible de faire compte tenu de la situation (ceci est donné par le modèle), mais nous surveillerons sa dynamique pour en détecter les écarts par rapport au comportement attendu. En pratique, la combinaison de ces deux sources d’informations se traduit par une robustesse accrue des estimations de l’intention par rapport aux approches reposant uniquement sur des preuves dynamiques. En dernière partie, les deux modèles présentés (comportemental et prédictif) sont intégrés dans le cadre d´une approche décisionnel probabiliste. Les méthodes proposées se sont vues évalués avec des données réelles collectées avec un véhicule instrumenté, attestant de leur efficacité dans le cadre de la conduite autonome sur autoroute. Bien que centré sur les autoroutes, ce travail pourrait être facilement adapté pour gérer des scénarios de trafic alternatifs