The knowledge of the states of a vehicle is a necessity to perform proper planning and control. These quantities are usually accessible through measurements. Control theory brings extremely useful methods -- observers -- to deal with quantities that cannot be directly measured or with noisy measurements. Classical observers are mathematically derived from models. In spite of their success, such as the Kalman filter, they show their limits when systems display high non-linearities, modeling errors, high uncertainties or difficult interactions with the environment (e.g. road contact). In this work, we present a method to build a learning-based observer able to outperform classical observing methods. We compare several neural network architectures and define the data generation procedure used to train them. The method is evaluated on a kinematic bicycle model which allows to easily generate data for training and testing. This model is also used in an Extended Kalman Filter (EKF) for comparison of the learning-based observer with a state of the art model-based observer. The results prove the interest of our approach and pave the way for future improvements of the technique.


翻译:车辆状态的知识对于进行适当的规划和控制是必要的。这些量通常通过测量来获取。控制理论提供了非常有用的方法——观测器——来处理无法直接测量或噪音测量的数量。经典的观测器是从模型中数学推导出来的。尽管它们取得了成功,比如卡尔曼滤波器,但当系统显示高非线性性、建模误差、高不确定性或与环境(如道路接触)的接触困难时,它们显示出极限。在这项工作中,我们提出了一种构建学习型观测器的方法,能够胜过经典的观测方法。我们比较了几种神经网络结构,并定义了用于训练它们的数据生成过程。该方法在一种运动学自行车模型上进行评估,该模型允许轻松生成用于训练和测试的数据。这个模型还被用于一个扩展卡尔曼滤波器(EKF),以比较基于学习的观测器与最先进的基于模型的观测器之间的表现。结果证明了我们方法的可行性,并为技术的未来改进铺平了道路。

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