This work presents different proposals to deal with common problems in robot visual servoing based on the application of discontinuous control methods. The feasibility and effectiveness of the proposed approaches are substantiated by simulation results and real experiments using a 6R industrial manipulator. The main contributions are: - Geometric invariance using sliding mode control (Chapter 3): the defined higher-order invariance is used by the proposed approaches to tackle problems in visual servoing. Proofs of invariance condition are presented. - Fulfillment of constraints in visual servoing (Chapter 4): the proposal uses sliding mode methods to satisfy mechanical and visual constraints in visual servoing, while a secondary task is considered to properly track the target object. The main advantages of the proposed approach are: low computational cost, robustness and fully utilization of the allowed space for the constraints. - Robust auto tool change for industrial robots using visual servoing (Chapter 4): visual servoing and the proposed method for constraints fulfillment are applied to an automated solution for tool changing in industrial robots. The robustness of the proposed method is due to the control law of the visual servoing, which uses the information acquired by the vision system to close a feedback control loop. Furthermore, sliding mode control is simultaneously used in a prioritized level to satisfy the aforementioned constraints. Thus, the global control accurately places the tool in the warehouse, but satisfying the robot constraints. - Sliding mode controller for reference tracking (Chapter 5): an approach based on sliding mode control is proposed for reference tracking in robot visual servoing using industrial robot manipulators. The novelty of the proposal is the introduction of a sliding mode controller that uses a high-order discontinuous control signal, i.e., joint accelerations or joint jerks, in order to obtain a smoother behavior and ensure the robot system stability, which is demonstrated with a theoretical proof. - PWM and PFM for visual servoing in fully decoupled approaches (Chapter 6): discontinuous control based on pulse width and pulse frequency modulation is proposed for fully decoupled position based visual servoing approaches, in order to get the same convergence time for camera translation and rotation. Moreover, other results obtained in visual servoing applications are also described. / Este trabajo presenta diferentes propuestas para tratar problemas habituales en el control de robots por realimentación visual, basadas en la aplicación de métodos de control discontinuos. La viabilidad y eficacia de las propuestas se fundamenta con resultados en simulación y con experimentos reales utilizando un robot manipulador industrial 6R. Las principales contribuciones son: - Invariancia geométrica utilizando control en modo deslizante (Capítulo 3): la invariancia de alto orden definida aquí es utilizada después por los métodos propuestos, para tratar problemas en control por realimentación visual. Se apuertan pruebas teóricas de la condición de invariancia. - Cumplimiento de restricciones en control por realimentación visual (Capítulo 4): esta propuesta utiliza métodos de control en modo deslizante para satisfacer restricciones mecánicas y visuales en control por realimentación visual, mientras una tarea secundaria se encarga del seguimiento del objeto. Las principales ventajas de la propuesta son: bajo coste computacional, robustez y plena utilización del espacio disponible para las restricciones. - Cambio de herramienta robusto para un robot industrial mediante control por realimentación visual (Capítulo 4): el control por realimentación visual y el método propuesto para el cumplimiento de las restricciones se aplican a una solución automatizada para el cambio de herramienta en robots industriales. La robustez de la propuesta radica en el uso del control por realimentación visual, que utiliza información del sistema de visión para cerrar el lazo de control. Además, el control en modo deslizante se utiliza simultáneamente en un nivel de prioridad superior para satisfacer las restricciones. Así pues, el control es capaz de dejar la herramienta en el intercambiador de herramientas de forma precisa, a la par que satisface las restricciones del robot. - Controlador en modo deslizante para seguimiento de referencia (Capítulo 5): se propone un enfoque basado en el control en modo deslizante para seguimiento de referencia en robots manipuladores industriales controlados por realimentación visual. La novedad de la propuesta radica en la introducción de un controlador en modo deslizante que utiliza la señal de control discontinua de alto orden, i.e. aceleraciones o jerks de las articulaciones, para obtener un comportamiento más suave y asegurar la estabilidad del sistema robótico, lo que se demuestra con una prueba teórica. - Control por realimentación visual mediante PWM y PFM en métodos completamente desacoplados (Capítulo 6): se propone un control discontinuo basado en modulación del ancho y frecuencia del pulso para métodos completamente desacoplados de control por realimentación visual basados en posición, con el objetivo de conseguir el mismo tiempo de convergencia para los movimientos de rotación y traslación de la cámara . Además, se presentan también otros resultados obtenidos en aplicaciones de control por realimentación visual. / Aquest treball presenta diferents propostes per a tractar problemes habituals en el control de robots per realimentació visual, basades en l'aplicació de mètodes de control discontinus. La viabilitat i eficàcia de les propostes es fonamenta amb resultats en simulació i amb experiments reals utilitzant un robot manipulador industrial 6R. Les principals contribucions són: - Invariància geomètrica utilitzant control en mode lliscant (Capítol 3): la invariància d'alt ordre definida ací és utilitzada després pels mètodes proposats, per a tractar problemes en control per realimentació visual. S'aporten proves teòriques de la condició d'invariància. - Compliment de restriccions en control per realimentació visual (Capítol 4): aquesta proposta utilitza mètodes de control en mode lliscant per a satisfer restriccions mecàniques i visuals en control per realimentació visual, mentre una tasca secundària s'encarrega del seguiment de l'objecte. Els principals avantatges de la proposta són: baix cost computacional, robustesa i plena utilització de l'espai disponible per a les restriccions. - Canvi de ferramenta robust per a un robot industrial mitjançant control per realimentació visual (Capítol 4): el control per realimentació visual i el mètode proposat per al compliment de les restriccions s'apliquen a una solució automatitzada per al canvi de ferramenta en robots industrials. La robustesa de la proposta radica en l'ús del control per realimentació visual, que utilitza informació del sistema de visió per a tancar el llaç de control. A més, el control en mode lliscant s'utilitza simultàniament en un nivell de prioritat superior per a satisfer les restriccions. Així doncs, el control és capaç de deixar la ferramenta en l'intercanviador de ferramentes de forma precisa, a la vegada que satisfà les restriccions del robot. - Controlador en mode lliscant per a seguiment de referència (Capítol 5): es proposa un enfocament basat en el control en mode lliscant per a seguiment de referència en robots manipuladors industrials controlats per realimentació visual. La novetat de la proposta radica en la introducció d'un controlador en mode lliscant que utilitza senyal de control discontínua d'alt ordre, i.e. acceleracions o jerks de les articulacions, per a obtindre un comportament més suau i assegurar l'estabilitat del sistema robòtic, la qual cosa es demostra amb una prova teòrica. - Control per realimentació visual mitjançant PWM i PFM en mètodes completament desacoblats (Capítol 6): es proposa un control discontinu basat en modulació de l'ample i la freqüència del pols per a mètodes completament desacoblats de control per realimentació visual basats en posició, amb l'objectiu d'aconseguir el mateix temps de convergència per als moviments de rotació i translació de la càmera. A més, es presenten també altres resultats obtinguts en aplicacions de control per realimentació visual. / Muñoz Benavent, P. (2017). Robot Visual Servoing Using Discontinuous Control [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90430

Les robots légers utilisés pour la télé-échographie robotisée permettent, à l'expert médical, d'orienter à distance une sonde ultrasonore 2D. L'analyse en temps réel de l'image ultrasonore du patient, reçue via un lien de communication, permet à l'expert de définir un diagnostic. Les validations cliniques du concept de télé-échographie robotisée montrent qu'il est ainsi possible de pallier le manque d'experts en ultrasonographie sur des sites médicalement isolés. Le robot porte-sonde est positionné et maintenu sur le corps du patient par un assistant à partir des informations communiquées par le spécialiste via visioconférence. Cependant, la faible masse du robot, le fait qu'il soit maintenu par un assistant sur le corps du patient et les mouvements physiologiques du patient provoquent des perturbations dans la position de la sonde et engendrent ainsi des pertes des sections d'intérêt des organes étudiés. Les travaux de cette thèse ont consisté à développer une approche par asservissement visuel basé sur les moments d'image ultrasonore 2D. Le calcul des moments 2D étant basé sur les points du contour de la section d'intérêt, un algorithme de traitement d'images efficace est nécessaire pour détecter et suivre le contour d'intérêt en mouvement. Pour cela, une méthode de contour actif paramétrique basée sur les descripteurs de Fourier est présentée. Les lois de commandes correspondant à trois tâches autonomes autorisant la recherche et le maintien de visibilité d'un organe lors de l'acte médical télé-opéré sont implémentées et validées sur la plateforme robotique du projet ANR Prosit. / The light weight robots used for robotized tele-echography allow the medical expert to remotely operate a 2D-ultrasound probe. The real-time analysis of the patient's ultrasound images, received via a standard communication link, provides the expert with relevant information to define a diagnosis. The clinical validations of the robotized tele-echography concept show that it is possible to overcome the lack of sonographers in medically isolated sites. The robot probe-holder is usually positioned and held on the patient's body by a paramedical staff based on information provided by the specialist via videoconferencing. However, the small mass of the robot, the fact that it is held by an assistant on the patient's body and the patient's physiological movements cause disturbances in the position of the probe ; this thus can generate a loss of the region of interest of the organ being under investigation during the teleoperated medical act. This thesis work focuses on the development of a visual servoing approach based on 2D ultrasound image moments. 2D moments calculation is based on the contour points of the image section of interest, therefore an image-processing algorithm is needed to effectively detect and follow the contour of interest in motion. For this reason, a parametric active contour method based on Fourier descriptors is presented. The control laws, corresponding to three independent autonomous tasks to search and maintain the visibility of an organ within a given ultrasound plane during the tele-operated medical act are implemented and validated on robotic platform project ANR Prosit.

Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les techniques d'asservissement visuel (AV), critiques pour de nombreuses applications de vision robotique et insistons principalement sur les AV directs. Afin d'améliorer l'état de l'art des méthodes directes, nous nous intéressons à plusieurs composantes des lois de contrôle d'AV traditionnelles. Nous proposons d'abord un cadre générique pour considérer l'histogramme comme une nouvelle caractéristique visuelle. Cela permet de définir des lois de contrôle efficaces en permettant de choisir parmi n'importe quel type d'histogramme pour décrire des images, depuis l'histogramme d'intensité à l'histogramme couleur, en passant par les histogrammes de Gradients Orientés. Une nouvelle loi d'asservissement visuel direct est ensuite proposée, basée sur un filtre particulaire pour remplacer la partie optimisation des tâches d'AV classiques, permettant d'accomplir des tâches associées à des fonctions de coûts hautement non linéaires et non convexes. L'estimation du filtre particulaire peut être calculée en temps réel à l'aide de techniques de transfert d'images permettant d'évaluer les mouvements de caméra associés aux déplacements des caractéristiques visuelles considérées dans l'image. Enfin, nous présentons une nouvelle manière de modéliser le problème de l'AV en utilisant l'apprentissage profond et les réseaux neuronaux convolutifs pour pallier à la difficulté de modélisation des problèmes non convexes via les méthodes analytiques classiques. En utilisant des techniques de transfert d'images, nous proposons une méthode permettant de générer rapidement des ensembles de données d'apprentissage de grande taille afin d'affiner des architectures de réseau pré-entraînés sur des tâches connexes, et résoudre des tâches d'AV. Nous montrons que cette méthode peut être appliquée à la fois pour modéliser des scènes connues, et plus généralement peut être utilisée pour modéliser des estimations de pose relative entre des couples de points de vue pris de scènes arbitraires. / In this thesis we focus on visual servoing (VS) techniques, critical for many robotic vision applications and we focus mainly on direct VS. In order to improve the state-of-the-art of direct methods, we tackle several components of traditional VS control laws. We first propose a method to consider histograms as a new visual servoing feature. It allows the definition of efficient control laws by allowing to choose from any type of his tograms to describe images, from intensity to color histograms, or Histograms of Oriented Gradients. A novel direct visual servoing control law is then proposed, based on a particle filter to perform the optimization part of visual servoing tasks, allowing to accomplish tasks associated with highly non-linear and non-convex cost functions. The Particle Filter estimate can be computed in real-time through the use of image transfer techniques to evaluate camera motions associated to suitable displacements of the considered visual features in the image. Lastly, we present a novel way of modeling the visual servoing problem through the use of deep learning and Convolutional Neural Networks to alleviate the difficulty to model non-convex problems through classical analytic methods. By using image transfer techniques, we propose a method to generate quickly large training datasets in order to fine-tune existing network architectures to solve VS tasks.We shows that this method can be applied both to model known static scenes, or more generally to model relative pose estimations between couples of viewpoints from arbitrary scenes.

L'asservissement visuel est un procédé consistant à utiliser l'information visuelle obtenue par un capteur afin de commander un système robotique. Ces informations, appelées primitives visuelles peuvent être d'ordre 2D ou 3D. Le travail présenté ici porte sur une nouvelle approche 2D utilisant des primitives directes : les décompositions de l'image en ondelettes ou en shearlets. Ces représentations présentent en effet l'avantage de décrire l'image sous différentes formes, mettant l'accent soit sur les basses fréquences de l'image, soit sur les hautes fréquences selon plusieurs directions. Les zones de l'image contenant beaucoup d'information, comme les contours ou les points singuliers, possèdent alors de forts coefficients dans la transformée en ondelettes ou en shearlets de l'image, tandis que les zones uniformes possèdent des coefficients proches de zéro. Les travaux de cette thèse montrent la précision et la robustesse de l'approche utilisant la décomposition en shearlets dans le cadre de l'imagerie échographique. Néanmoins, sa contribution majeure est l'élaboration d'une commande permettant d'utiliser au choix les ondelettes ou les shearlets ainsi que la validation de cette méthode sur caméra monoculaire et sur capteur de type tomographie par cohérence optique dans différentes conditions d'utilisation. Cette méthode présente des performances significatives en termes de précision et de robustesse et ouvre la porte vers une utilisation couplée de l'asservissement visuel et de l'acquisition comprimée. / A visual servoing scheme consists of a closed-loop control approach which uses visual information feedback to control the movement of a robotic system. This data, called visual features, can be 2D or 3D. This thesis deals with the development of a new generation of 2D direct visual servoing methods in which the signal control inputs are the coefficients of a multiscale image representation. Specially, we consider the use of multiscale image representations that are based on discrete wavelet and shearlet transformations. This kind of representations allows us to obtain several descriptions of the image based on either low or high frequencies levels. Indeed, high coefficients in the wavelet or in the shearlet transformation of the image correspond to image singularities. This thesis has begun with the development of a shearlet-based visual servoing for ultrasound imaging that has performed well in precision and robustness for this medical application. Nevertheless, the main contribution is a framework allowing us to use several multi-scale representations of the image. It was then tested with conventional white light camera and with an optical coherence tomography imaging system with nominal and unfavorable conditions. Then, the wavelet and the shearlet based methods showed their accuracy and their robustness in several conditions and led to the use of both visual servoing and compressed sensing as the main perspective of this work.

Dans le domaine du développement d'outils de micromanipulation de haute précision pour le biomédical, les microrobots mobiles immergés font figures de technologie émergente prometteuse pour des applications in-vitro, puis à plus long terme pour l'in-vivo. Mes travaux portent sur l'étude de la propulsion de microrobots par voie magnétique dans des fluides circulant dans des microcanaux, à une échelle où les phénomènes d'adhérence et d'amortissement prévalent. Leur application pour des opérations de transduction est développée dans un deuxième volet.Un dispositif d'asservissement par vision à haute fréquence d’échantillonnage (~5kHz) a été développé rendant possible le contrôle sous champ magnétique uniforme ou gradient. Les performances du système ont notamment demandé l’implémentation d'une interface multi-tâches afin de pouvoir acquérir et traiter les images en parallèle de l'actuation du robot. L'analyse de la dynamique permet de mieux appréhender les phénomènes parfois imprévisibles liés au déplacement du robot, MagPol, intégré dans une puce microfluidique. Il peut réciproquement servir de capteur dans son environnement fluidique.Ce design original de robot a été conçu pour la micromanipulation et permet également d'explorer des nouvelles stratégies de déplacement. Ces capacités ont été éprouvées sur des objets de même taille qu'en biologie cellulaire (billes, bulles).Enfin, une démonstration de l'asservissement visuel en planification de tâche a été effectuée. Sous réserve de posséder un algorithme suffisamment performant, l'échantillonnage haute fréquence en temps réel devient possible et l'observation de performances sur des trajectoires complexes est démontrée. Les performances, la portabilité et la reproductibilité du système démontrent des capacités de transduction à haut débit qui sont très prometteuses pour l'aspect applicatif. / In the research for new high performances tool for micrometric scale manipulation, mobile microrobots immersed are considered as a promising technology for in-vitro applications, and with a long term view in-vivo. My work focuses on the propulsion study of mobile microrobots immersed in microfluidic channels controlled through electromagnets. At this scale, surface and damping phenomena predominates. Application for transduction operation is developed in a second part.A high sampling rate (≈5kHz) visual servoing setup have been developed making a control possible through uniform and gradient magnetic field. Performances of the system have notably required a multi-thread programmed user interface to acquire and analyze the frame in parallel of the robot actuation. Dynamic analysis allow to better apprehend the perturbation dynamics of the robot MagPol, integrated in a microfluidic chip. It can reciprocally serve as a sensor for in fluidic environment.MagPol design has been originally conceived for micromanipulation, and also allows to explore new displacement strategies. Its capacities have been tested on beads and bubbles equivalent to cell biology characteristic size (10µm – 100µm).Finally, a demonstration of planned trajectory using visual servoing was accomplished. Though it has required an algorithm sufficiently efficient, high frequency real-time sampling is possible and lead to control and post observation on complex trajectory. Global performances, repeatability and portability of our system has demonstrated its capacities as a high-throughput transducer, promising for single microagent applications.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet national nommé SRDViand dont le but fut de développer un système robotisé pour le désossage et la découpe des animaux de boucherie. Afin de déterminer les trajectoires de découpe de manière intelligente, un système de lumière structurée a été développé. Il se réfère à des systèmes de vision qui utilisent des modèles de projection de lumière pour des tâches de reconstruction 3D. Afin d'obtenir les meilleurs résultats, la définition d'une nouvelle méthode d'étalonnage pour les systèmes de lumière structurée a été établie. Basé sur un large état de l'art et également sur la proposition d'une classification de ces méthodes, il a été proposé d'étalonner une paire caméra projecteur en utilisant l'asservissement visuel. La validité et les résultats de cette méthode ont été éprouvés sur la base de nombreux tests expérimentaux menés dans le cadre du projet SRDViand. Suite à l'élaboration de cette méthode, un prototype permettant la découpe des bovins a été réalisé. / This thesis is part of a national project named SRDViand whose aim was to develop a robotic system for the deboning and cutting of animals meat. To determine the cut paths, a structured light system has been developed. It refers to vision systems that use light projection models for 3D reconstruction tasks. To achieve best results, the definition of a new calibration method for structured light systems was established . Based on a large state of the art and also with a proposed classification of these methods, it has been proposed to calibrate a camera projector pair using visual servoing . The validity and the results of this method were tested on the basis of numerous experimental tests conducted under the SRDViand project. Following the development of this method, a prototype bovine cutting was performed .

This dissertation presents a new 2D ultrasound-based visual servoing method. The main goal is to automatically guide a robotized 2D ultrasound probe held by a medical robot in order to reach a desired cross-section ultrasound image of an object of interest. This method allows to control both the in-plane and out-of-plane motions of a 2D ultrasound probe. It makes direct use of the 2D ultrasound image in the visual servo scheme, where the feed-back visual features are combinations of image moments. To build the servo scheme, we develop the analytical form of the interaction matrix that relates the image moments time variation to the probe velocity. That modeling is theoretically verified on simple shapes like spherical and cylindrical objects. In order to be able to automatically position the 2D ultrasound probe with respect to an observed object, we propose six relevant independent visual features to control the 6 degrees of freedom of the robotic system. Then, the system is endowed with the capability of automatically interacting with objects without any prior information about their shape, 3D parameters, nor 3D location. To do so, we develop on-line estimation methods that identify the parameters involved in the built visual servo scheme. We conducted both simulation and experimental trials respectively on simulated volumetric objects, and on both objects and soft tissues immersed in a water-filled tank. Successful results have been obtained, which show the validity of the developed methods and their robustness to different errors and perturbations especially those inherent to the ultrasound modality. Keywords: Medical robotics, visual servoing, 2D ultrasound imaging, kinematics modeling, model-free servoing.

Uncalibrated visual servoing (VS) can improve robot performance without needing camera and robot parameters. Multiple cameras improve uncalibrated VS precision, but no works exist simultaneously using more than two cameras. The first data for uncalibrated VS simultaneously using more than two cameras are presented. VS performance is also compared for two different camera models: a high-cost camera and a low-cost camera, the difference being image noise magnitude and focal length. A Kalman filter based control law for uncalibrated VS is introduced and shown to be stable under the assumptions that robot joint level servo control can reach commanded joint offsets and that the servoing path goes through at least one full column rank robot configuration. Adaptive filtering by a covariance matching technique is applied to achieve automatic camera weighting, prioritizing the best available data. A decentralized sensor fusion architecture is utilized to assure continuous servoing with camera occlusion. The decentralized adaptive Kalman filter (DAKF) control law is compared to a classical method, Gauss-Newton, via simulation and experimentation. Numerical results show that DAKF can improve average tracking error for moving targets and convergence time to static targets. DAKF reduces system sensitivity to noise and poor camera placement, yielding smaller outliers than Gauss-Newton. The DAKF system improves visual servoing performance, simplicity, and reliability.

Orientador: Marconi Kolm Madrid / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-15T23:54:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nicolato_Fabricio_D.pdf: 1516280 bytes, checksum: 96229803f3bca54f669d4dcc22108c02 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Esta tese trata o problema da resolução do modelo cinemático inverso para manipuladores industriais redundantes ou não. O problema foi abordado por um método de busca heurística no qual a solução da cinemática inversa é construída passo a passo calculando-se a contribuição do movimento de apenas uma junta a cada iteração. Dessa forma, o problema n-dimensional é transformado em problemas unidimensionais mais simples, cuja solução analítica tanto para juntas rotacionais quanto para juntas prismáticas é apresentada em termos da representação de Denavit-Hartenberg. O método proposto não possui singularidades internas. Além disso, o método foi expandido para incorporar informações de sensores externos visando fazer com que o processo seja mais robusto a incertezas nas modelagens envolvidas. Foram realizadas diversas simulações e comparações com técnicas tradicionais que evidenciaram as vantagens da abordagem proposta. O trabalho também englobou o projeto e a construção de um ambiente experimental e a implementação das técnicas desenvolvidas na parte teórica. Desenvolveu-se um sistema com um robô planar redundante de 3 DOF, assim como seus sistemas de controle, acionamento e interfaceamento usando técnicas de sistemas hardware-inthe-loop e lógica programável. As técnicas desenvolvidas foram aplicadas no ambiente experimental demonstrando características como: facilidade de lidar com redundâncias, capacidade de resolução em tempo real, robustez a incertezas de parâmetros etc / Abstract: This thesis deals with the problem of solving the inverse kinematics model of redundant and nonredundant industrial manipulators. The work was developed in a theoretical and a practical part. The problem was approached by an heuristic search method in which the solution of the inverse kinematics is built step by step calculating the movement contribution of just a single joint for each iteration. In that way, the n-dimensional problem is transformed in simpler one-dimensional problems, whose analytic solution for both rotational joints and prismatic joints is presented in terms of the Denavit and Hartenberg representation. The proposed method does not possess internal singularities. Furthermore, the method was expanded to incorporate information of external sensor in order to make the process more robust to uncertainties in the involved modelings. Several results of simulations and comparisons with traditional techniques, which evidence the advantages of the proposed approach, are presented. The work also included the construction of an experimental environment and the implementation of the techniques developed in the theoretical part. The details of a system with a 3-DOF redundant robot as well as its control system, drivers and interfaces using hardware-in-theloop techniques and programmable logic are presented. The developed techniques were applied in the experimental environment are demonstrating their efficiency and evidencing characteristics like: easiness of dealing with redundancies, real time capacity, robustness for parameters uncertainties etc / Doutorado / Automação

L’autonomie d’un agent mobile se définit par sa capacité à naviguer dans un environnement sans intervention humaine. Cette tâche s’avère très demandée pour les robots d’assistance à la personne. C’est pour cela que notre contribution s’est portée en particulier sur l’instrumentation et l’augmentation de l’autonomie d’un fauteuil roulant pour les personnes à mobilité réduite. L’objectif de ce travail est de concevoir des lois de commande qui permettent à un robot de naviguer en temps réel et en toute autonomie dans un environnement inconnu. Un cadre de perception virtuelle unifié est introduit et permet de projeter l’espace navigable obtenu par des observations éventuellement multiples. Une approche de navigation autonome et sûre a été conçue pour se déplacer dans un environnement peu encombré dont la structure peut être assimilée à un couloir (lignes au sol, murs, délimitation herbes, routes...). La problématique a été résolue en utilisant le formalisme de l’asservissement visuel. Les caractéristiques visuelles utilisées dans la loi de commande ont été construites à partir de la représentation virtuelle (à savoir la position du point de fuite et l’orientation de la ligne médiane du couloir). Pour assurer une navigation sûre et lisse, même lorsque ces paramètres ne peuvent pas être extraits, nous avons conçu un observateur d’état pour estimer les caractéristiques visuelles dans le but de maintenir la commande fonctionnelle du robot. Cette approche permet de faire naviguer un robot mobile dans un couloir même en cas de défaillance sensorielle (données non fiables) et/ou de perte de mesure. La première contribution de cette thèse a été étendue en traitant tout type d’environnement encombré statique ou dynamique. Cela a été réalisé en utilisant le diagramme de Voronoï. Le diagramme de Voronoï généralisé, également appelé squelette, est une représentation puissante de l’environnement. Il définit un ensemble de chemins à la distance maximale des obstacles. Dans ce travail, une approche d’asservissement visuel basée sur le squelette extrait en temps réel était proposée pour une navigation autonome et sûre des robots mobiles. La commande est basée sur une approximation du DVG local en utilisant le Delta Medial axis, un algorithme de squelettisation rapide et robuste. Ce dernier produit un squelette filtré de l’espace libre entourant le robot en utilisant un paramètre qui prend en compte la taille du robot. Cette approche peut faire face aux bruits de mesure au niveau de la perception et au niveau de la commande à cause des glissement des roues. C’est pour cela que nous avons conçu une approche d’asservissement visuel sur une prédiction d’une linéarisation du DVG. Une analyse complète a été réalisée pour montrer la stabilité des lois de commandes proposées. Des simulations et des tests expérimentaux valident l’approche proposée. / The autonomy of a mobile agent is defined by its ability to navigate in an environment without human intervention. This task is very required for personal assistance robots. That’s why our contribution has been particularly focused on instrumentation and increasing the autonomy of a wheelchair for reduced mobility peaple. The objective of this work is to design control laws that allow a robot to navigate in real time and independently in an unknown environment. A unified virtual perception framework is introduced and allows to project the navigable space obtained by possibly multiple observations. First we designed an autonomous and safe navigation approach in environment whose structure can be assimilated to a corridor (lines on the ground, walls, delimitation of grasses, roads ...). We have solved this problem by using the formalism of visual servoing. The visual characteristics used in the control law were constructed from the virtual representation (ie the position of the vanishing point and the orientation of the center line of the corridor). To ensure safe and smooth navigation, even when these parameters can not be extracted, we have designed a finite-time state observer to estimate the visual characteristics in order to maintain the robot’s control efficient. This approach let a mobile robot navigate in a corridor even in in the case of sensory failure (unreliable data) and/or loss of measurement. We have extended the first contribution of this work with dealing with any type of static or dynamic environment. This was done using the Voronoi diagram. The Generalized Voronoi Diagram (GVD), also named skeleton, is a powerful environment representation, since, among other reasons, it defines a set of paths at maximal distance from the obstacles. In this work, a real time skeleton based visual servoing approach is proposed for a safe autonomous navigation of mobile robots. The control is based on an approximation of the local GVD using the Delta Medial Axis, a fast and robust skeletonization algorithm. The latter produces a filtered skeleton of the free space surrounding the robot using a pruning parameter that takes into account the robot size. This approach can cope with measurement noises at the perception and control with the wheel slip. This is why we have designed a visual servoing approach on a prediction of a GVD linearization. A complete analysis was performed to show the stability of the proposed control laws. Simulations and experimental tests validate the proposed approach.