La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs à articulations flexibles. Les méthodes développées visent à satisfaire les spécifications de performance et de robustesse en suivi de trajectoire, ainsi qu’à assurer un niveau de sécurité compatible avec un scénario de fonctionnement interactif dans lequel l’homme et le robot partagent un même espace de travail. Seules les mesures moteur sont utilisées dans un contexte d’instrumentation réduite. Le premier objectif de performance de la commande de mouvement est atteint grâce à l’identification expérimentale d’un modèle flexible représentatif du système, et l’usage de ce modèle pour la synthèse de lois de commande avancées intégrées au sein d’une structure cascade. Deux approches complémentaires fondées d’une part sur la commande prédictive de type GPC (Generalized Predictive Control), et d’autre part sur la commande Hinfini, sont considérées pour la synthèse de lois de commande à deux degrés de liberté, prédictives et robustes. Les performances de ces deux approches sont analysées et évaluées expérimentalement. Le deuxième objectif de sécurité est abordé à travers un algorithme de détection de collisions du robot avec son environnement, sans capteur d’effort et en présence d’incertitudes de modélisation. Afin de séparer efficacement les effets dynamiques des collisions de ceux des erreurs de modélisation, une stratégie adaptative de filtrage et de décision tenant compte de l’état du système est proposée. La validation expérimentale montre une très bonne sensibilité de détection, compatible avec les normes et les recommandations de sécurité relatives à la robotique collaborative. / The present thesis addresses the problem of motion control of flexible-joint robot manipulators using motor sensors only. The global objective is to guarantee tracking performance and robustness with respect to modeling uncertainties, together with safe human-robot interaction in a collaborative scenario where the robot and the human operator share the same workspace. The first objective of performance is achieved through the experimental identification of a flexible model of the system and the use of this model for the design of advanced control laws implemented in a cascade structure. Two complementary approaches, based either on predictive (Generalized Predictive Control, GPC) or Hinfinity control frameworks, are considered to design predictive and robust two degrees-of-freedom controllers. Experimental evaluation and analysis of the proposed strategies is provided. The second objective of safety is addressed by a novel algorithm for human-robot collision detection, without force sensors and in the presence of modeling uncertainties. In order to efficiently separate the dynamic effects of the collisions from the effects due to modeling errors, the proposed approach includes adaptive filtering and uses dynamic thresholds depending on the robot state. Experimental evaluation demonstrates a good detection sensitivity which is consistent with safety standards and recommendations for collaborative robotics.

L'objectif de cette thèse est de définir puis d'étudier les performances de méthodes de guidage coopératif de véhicules aériens autonomes. L'intérêt du guidage coopératif est de confier une mission complexe à une flotte, plutôt qu'à un véhicule unique, afin de distribuer la charge de travail et d'améliorer les performances et la fiabilité. Les lois de guidage étudiées sont distribuées sur l'ensemble des véhicules afin d'une part, de répartir la charge de calcul et d'autre part, d'augmenter la fiabilité en éliminant la possibilité de perte de l'organe central de calcul de la commande.La première partie de la thèse porte sur les possibilités offertes par la règle des plus proches voisins. La loi de guidage développée consiste à ce que la commande de chaque véhicule soit élaborée en combinant les états des véhicules voisins. Afin de transmettre des consignes au groupe de véhicules, des objets dénommés agents virtuels sont introduits. Ceux-ci permettent de représenter des obstacles, d'indiquer une direction ou une cible au groupe de véhicules en utilisant des mécanismes déjà présent dans la loi de guidage.La seconde partie de la thèse porte sur les possibilités offertes par la commande prédictive. Ce type de commande consiste à employer un modèle du comportement du système afin de prédire les effets de la commande, et ainsi de déterminer celle qui minimise un critère de coût en respectant les contraintes du système. La loi de guidage développée emploi un critère de coût tenant compte et arbitrant entre les différents aspects de la mission (sécurité, progression de la mission, modération de la commande), et une procédure de recherche de la commande utilisant jeu prédéfinis de commandes candidates afin d'explorer l'espace de commande de manière efficace. Cette procédure, distincte des algorithmes d'optimisation habituels, génère une charge de calcul faible et constante, ne nécessite pas d'étape d'initialisation et est très peu sensible aux minima locaux. / The thesis objective is to define and study the performances of cooperative guidance methods of autonomous aerial vehicles. The interest of cooperative guidance is to entrust a complex mission to a fleet, instead of an isolated vehicle, to distribute the workload and improve performances and reliability. Studied guidance laws are distributed among all vehicles, on one hand to distribute the computation load, and on the other hand to remove the possibility to lose the centralized organ of command computation.The first part deals with the possibilities offered by the nearest neighbour rule. The developed guidance law consists in elaborating the command of each vehicle by combining the states of neighbour vehicles. To transmit instructions to the fleet of vehicles, objects denominated virtual agents are introduced. These allow figuring obstacles, indicating direction or target using existing mechanisms of the guidance law.The second part deals with the possibilities offered by model predictive control. This type of command consists in employing a behavioural model of the system to predict the control effects, and thus finding the one that minimises a cost criterion while respecting system's constraints. The developed guidance law uses a cost criterion that take into account and arbitrate between the several aspects of the mission (safety, mission evolution, control moderation), and a control search procedure based on a predefined set of candidate controls to explore the control space efficiently. This procedure, different from usual optimisation algorithms, generate a low and constant computation load, needs no initialisation step and is little sensitive to local minima.

On considère la synthèse de la commande basée sur un asservissement affecté par des retards. L’approche utilisée repose sur des méthodes ensemblistes. Une partie de cette thèse est consacrée à une conception de commande active pour la compensation des retards qui apparaissent dans des canaux de communication entre le capteur et correcteur. Ce problème est considéré dans une perspective générale du cadre de commande tolérante aux défauts où des retards variés sont vus comme un mode particulier de dégradation du capteur. Le cas avec transmission de mesure retardée pour des systèmes avec des capteurs redondants est également examiné. Par conséquent, un cadre unifié est proposé afin de régler le problème de commande basé sur la transmission des mesures avec retard qui peuvent également être fournies par des capteurs qui sont affectés par des défauts soudains.Dans la deuxième partie le concept d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret est exposé. En ce qui concerne l’invariance pour cette classe des systèmes dynamiques, il existe deux idées principales. La première approche repose sur la réécriture d’un tel système dans l’espace d’état augmenté et de le considérer comme un système linéaire. D’autre part, la seconde approche considère l’invariance dans l’espace d’état initial. Cependant, la caractérisation d’un tel ensemble invariant est encore une question ouverte, même pour le cas linéaire. Par conséquent, l’objectif de cette thèse est d’introduire une notion générale d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret. Également, certains nouveaux éclairages sur l’existence et la construction pour les ensembles invariants positifs robustes sont détaillés. En outre, les nouveaux concepts d’invariance alternatives sont décrits. / We considered the process regulation which is based on feedback affected by varying delays. Proposed approach relies on set-based control methods. One part of the thesis examines active control design for compensation of delays in sensor-to controller communication channel. This problem is regarded in a general perspective of the fault tolerant control where delays are considered as a particular degradation mode of the sensor. Obtained results are also adapted to the systems with redundant sensing elements that are prone to abrupt faults. In this sense, an unified framework is proposed in order to address the control design with outdated measurements provided by unreliable sensors.Positive invariance for linear discrete-time systems with delays is outlined in the second part of the thesis. Concerning this class of dynamics, there are two main approaches which define positive invariance. The first one relies on rewriting a delay-difference equation in the augmented state-space and applying standard analysis and control design tools for the linear systems. The second approach considers invariance in the initial state-space. However, the initial state-space characterization is still an open problem even for the linear case and it represents our main subject of interest. As a contribution, we provide new insights on the existence of the positively invariant sets in the initial state-space. Moreover, a construction algorithm for the minimal robust D-invariant set is outlined. Additionally, alternative invariance concepts are discussed.

Ce travail traite de la modélisation de systèmes complexes constitués de plusieurs composants impliquant des domaines techniques différents. Il se place dans le contexte de la modélisation hétérogène hiérarchique, selon l’approche à base de modèles de calcul. Chaque composant faisant appel à un domaine technique particulier, son comportement peut être modélisé selon un paradigme de modélisation approprié, avec une sémantique différente de celle des autres composants. La modélisation du système global, qui intègre les modèles hétérogènes de ces composants, nécessite donc une adaptation sémantique permettant l’échange entre les divers sous-modèles.Ce travail propose une approche de modélisation de l’adaptation sémantique où les sémantiques du temps et du contrôle sont explicitement spécifiées par le concepteur en définissant des relations sur les occurrences d’évènements d’une part et sur les étiquettes temporelles de ces occurrences d’autre part. Cette approche est intégrée dans la plateforme ModHel’X et testée sur un cas d’étude : un modèle de lève-vitre électrique. / This work takes place in the context of hierarchical heterogeneous modeling using the model of computation approach in order to model complex systems which includes several components from different technical fields.Each of these components is usually designed according to a modeling paradigm that suits the technical domain and is based on specific semantics. Therefore, the overall system, which integrates the heterogeneous models of the components, requires semantic adaptation to ensure proper communication between its various sub-models.In this context, the aim of this thesis is to propose a new approach of semantic adaptation modeling where the semantic adaptation of time and control is specified by defining relationships between the occurrences of events as well as the time tags of these occurrences. This approach was integrated into the ModHel’X platform and tested on the case study of a power window system.

La connaissance de l’exposition des personnes aux champs électromagnétiques radiofréquences, pour le public ou pour les professionnels, est encore aujourd’hui très parcellaire. Deux problématiques sont encore mal connues:• La connaissance des usages des objets communicants, en évolution constante et rapide,• L'estimation de l'impact potentiel que pourraient avoir ces nouvelles technologies sur l'environnement.Ce document est une synthèse des travaux de recherche conduits pour affiner les questions de compatibilité électromagnétique et d’exposition des personnes. Dans ce contexte, il a fallu évaluer, caractériser et définir les paramètres les plus importants des signaux rayonnés ou des niveaux des champs électromagnétiques émis par les dispositifs mettant en œuvre les technologies émergentes. Dans cette étude, on s’est également intéressé à des problématiques connexes comme l’exposition des personnes aux champs électromagnétiques de très basses fréquences induits par des lignes à très haute tension ou aux émissions rayonnées par des équipements domestiques intégrant des dispositifs électroniques potentiellement rayonnants. Il comprend également, une synthèse de tous les résultats obtenus à partir d'études de cas concrets, tant sur le plan des connaissances détaillées de la compatibilité électromagnétique des systèmes nouveaux ou émergents que sur la problématique de l’exposition des personnes. Enfin, des solutions ont été proposées, pouvant permettre d’améliorer les connaissances des signaux et des impacts potentiels par des modifications de normes, par la prise en compte de nouveaux paramètres plus pertinents, ou par la modification de procédures d’étalonnage de systèmes utilisés pour caractériser l’exposition. / The knowledge of human exposure, either general public or occupational, to radiofrequency electromagnetic fields, is still incomplete. Two issues are yet to be addressed:• Knowledge of the uses of communicating objects that are ever changing,• The evaluation of the potential impact that these new technologies could have on the environment.This document provides a synthesis of studies conducted to address the issues of electromagnetic compatibility and human exposure. In this context, it was necessary to evaluate, to characterize and to define the most relevant parameters of the radiated signals or the levels of electromagnetic fields emitted by devices that implement these emerging technologies. We additionally examined related issues such as exposure to electromagnetic fields at very low frequencies induced by high-voltage lines or emissions from domestic equipment integrating potentially radiating electronic devices. It also includes a summary of all results obtained from actual case studies, in terms of the knowledge of both the detailed electromagnetic compatibility of new or emerging systems and human exposure. Finally, solutions have been proposed that can help to improve the knowledge of signals and potential impacts, through updates of either current standards by taking into account more relevant new parameters or modification of calibration procedures of the instrumentation employed to characterize the exposure.

Les communications sans fils sont devenues un outil fondamental pour les sociétés modernes. Les réseaux cellulaires sont le moyen préféré pour l’accès à Internet. L’augmentation de la capacité du réseau est étroitement liée au problème des interférences. Les réseaux coopératifs ont été largement étudiés dans les années récentes. Cette thèse porte sur deux techniques de coopération dans la voie descendante :La première partie étudie les effets de quantification et délais sur les informations de retour nécessaires pour la mise en opération des différentes techniques d’émission coordonnée, connues sous le nom de CoMP (Coordinated Multipoint Transmission). Cette technique qui promet des augmentations importantes sur la capacité du réseau en conditions idéales, or ses vrais résultats sous le feedback limité doivent être encore décrits de manière analytique. En particulier, pour les modes d’émission connus comme JT (Joint Transmission) et CBF (Coordinated Beamforming), des expressions analytiques ont été déduites pour calculer la capacité du réseau et la probabilité de succès de transmission.Finalement une nouvelle technique de coopération de réseau pour les récepteurs avancés du type SIC (Successive Interference Cancellation) est présentée. La condition mathématique qui garantit des gains de capacité grâce à l’utilisation des récepteurs SIC est obtenue. Pour en profiter, une méthode de coopération est nécessaire pour assurer une adaptation de lien adéquate pour que l’interférence soit décodable et le débit somme soit supérieur à celui atteint avec des récepteurs traditionnels. Cette technique montre des gains importants de capacité pour des utilisateurs en bordure de cellule. / Wireless communications have become a fundamental feature of any modern society. In particular, cellular networks are essential for societal welfare but the increasing demand for data traffic set enormous scientific challenges. Increasing the network capacity is closely related to the problem of interference mitigation. In this regard, network cooperation has been studied in recent years and several different techniques have been proposed. In the first part, different transmission techniques commonly referred to as Coordinated Multi-Point Transmission (CoMP), are studied under the effect of feedback quantization and delay, unequal pathloss and other-cell interference (OCI). An analytical framework is provided, which yields closed-form expressions to calculate the ergodic throughput and outage probabilities of Coordinated Beamforming (CBF) and Joint Transmission (JT). The results indicate the optimal configuration for a system using CoMP and provide guidelines and answers to key questions, such as how many transmitters to coordinate, how many antennas to use, how many users to serve, which SNR regime is more convenient, whether to apply CBF or prefer a more complex JT, etc. Second, a new coordination technique at the receiver side is proposed to obtain sum-rate gains by means of Successive Interference Cancellation (SIC). The conditions that guarantee network capacity gains by means of SIC at the receiver are provided. To take advantage of these conditions, network coordination is needed to adapt the rates to be properly decoded at the different users involved. This technique is named Cooperative SIC and is shown to provide significant throughput gains for cell-edge users.

La thèse propose une approche de l'apprentissage temporel par des mécanismes d'auto-organisation à grain fin. Le manuscrit situe dans un premier temps le travail dans la perspective de contribuer à promouvoir une informatique cellulaire. Il s'agit d'une informatique où les calculs se répartissent en un grand nombre de calculs élémentaires, exécutés en parallèle, échangeant de l'information entre eux. Le caractère cellulaire tient à ce qu'en plus d’être à grain fin, une telle architecture assure que les connexions entre calculateurs respectent une topologie spatiale, en accord avec les contraintes des évolutions technologiques futures des matériels. Dans le manuscrit, la plupart des architectures informatiques distribuées sont examinées suivant cette perspective, pour conclure que peu d'entre elles relèvent strictement du paradigme cellulaire.Nous nous sommes intéressé à la capacité d'apprentissage de ces architectures, du fait de l'importance de cette notion dans le domaine connexe des réseaux de neurones par exemple, sans oublier toutefois que les systèmes cellulaires sont par construction des systèmes complexes dynamiques. Cette composante dynamique incontournable a motivé notre focalisation sur l'apprentissage temporel, dont nous avons passé en revue les déclinaisons dans les domaines des réseaux de neurones supervisés et des cartes auto-organisatrices.Nous avons finalement proposé une architecture qui contribue à la promotion du calcul cellulaire en ce sens qu'elle exhibe des propriétés d'auto-organisation pour l'extraction de la représentation des états du système dynamique qui lui fournit ses entrées, même si ces dernières sont ambiguës et ne reflètent que partiellement cet état. Du fait de la présence d'un cluster pour nos simulations, nous avons pu mettre en œuvre une architecture complexe, et voir émerger des phénomènes nouveaux. Sur la base de ces résultats, nous développons une critique qui ouvre des perspectives sur la suite à donner à nos travaux. / The thesis proposes a sequence learning approach that uses the mechanism of fine grain self-organization. The manuscript initially starts by situating this effort in the perspective of contributing to the promotion of cellular computing paradigm in computer science. Computation within this paradigm is divided into a large number of elementary calculations carried out in parallel by computing cells, with information exchange between them.In addition to their fine grain nature, the cellular nature of such architectures lies in the spatial topology of the connections between cells that complies with to the constraints of the technological evolution of hardware in the future. In the manuscript, most of the distributed architecture known in computer science are examined following this perspective, to find that very few of them fall within the cellular paradigm.We are interested in the learning capacity of these architectures, because of the importance of this notion in the related domain of neural networks for example, without forgetting, however, that cellular systems are complex dynamical systems by construction.This inevitable dynamical component has motivated our focus on the learning of temporal sequences, for which we reviewed the different models in the domains of neural networks and self-organization maps.At the end, we proposed an architecture that contributes to the promotion of cellular computing in the sense that it exhibits self-organization properties employed in the extraction of a representation of a dynamical system states that provides the architecture with its entries, even if the latter are ambiguous such that they partially reflect the system state. We profited from an existing supercomputer to simulate complex architecture, that indeed exhibited a new emergent behavior. Based on these results we pursued a critical study that sets the perspective for future work.

Les capteurs sans fil ont un avenir prometteur c’est pourquoi leur développement est àl’origine de nombreuses recherches. Leur autonomie reste cependant un problème à résoudre.Les travaux de cette thèse se concentrent précisément sur cette problématique : trouverune stratégie permettant aux capteurs d’être autonomes en énergie.L’énergie nécessaire à l’alimentation du capteur, quel que soit son mode de fonctionnement,doit en effet être récupérée de l’environnement dans lequel le capteur se trouve. Deplus, en cas d’absence ou d’insuffisance d’énergie environnante, le fonctionnement du capteurdoit pouvoir perdurer. À cela s’ajoute la nécessité de connaitre à tout instant la quantitéd’énergie disponible afin de pouvoir maintenir un niveau de charge constant et ainsi prolongerla vie du capteur. Enfin, toute cette gestion de l’énergie doit pouvoir garantir le meilleurrendement possible.Cette étude a conduit à la conception et au test d’un circuit en technologie CMOS 90nm.Ce même circuit a été intégré dans les capteurs sans fil d’un réseau en cours de développement.Et enfin, une méthode permettant de connaitre le niveau d’énergie embarquée a étémise au point et pourra permettre à l’avenir la conception d’un nouveau circuit de power managementpour capteurs autonomes en énergie. / Wireless sensors have a bright future so their development is causing a lot of research.However, their autonomy is still an issue.This work focuses on this problem : find a strategy for the sensors to be autonomous.The energy required to power the sensor, whatever its working mode, must indeed be harvestedfrom the environment wherein the sensor is located. Moreover, in case of absence ora lack of available energy, the sensor has to keep working. Additionnaly the state-of-chargehas to be known in real time in order to extend the sensor lifetime. Finally, the energy managementhas to give the highest efficiency.This study led to the design and the test of a circuit in CMOS 90nm technology. Thiscircuit was integrated in wireless sensors for networks under development. Finally, a methodto estimate the level of energy in the sensor has been developed and will allow to design anew circuit of power management for wireless sensor network.

Cette thèse traite de la conception d’un convertisseur DC / DC destiné aux véhicules électriques et hybrides (2,5 kW, 400V/14V, 250kHz). Dérivé de la topologie LLC à résonance, ce convertisseur bénéficie des nombreux avantages propres à cette structure particulière. C’est ainsi que le prototype réalisé présente un rendement très élevé, une densité de puissance très forte avec des perturbations EMI très réduites. La première partie de cette thèse est consacrée à l’analyse théorique du circuit LLC afin de dégager un modèle de conversion et une stratégie de contrôle adaptée à l’application visée. Afin de conserver un rendement important sur une large plage de charge, une structure basée sur la mise en parallèle de deux modules LLC est proposée. Une nouvelle stratégie de contrôle à deux boucles est également proposée pour équilibrer le courant entre les deux modules. La seconde partie de la thèse fait appel à la simulation et à l’expérimentation. Il s’agit de minimiser la masse et l’encombrement tout en maximisant le rendement. Un composant magnétique spécial est conçu puis dimensionné pour intégrer le transformateur et diverses inductances de résonance. Ce convertisseur met également en œuvre un système de redressement synchrone robuste avec une compensation de phase, un module de puissance avec une résistance thermique très faible et un système de refroidissement efficace par air. Le rendement maximal mesuré est 95%. Le rendement demeure supérieur à 94% sur une plage de puissance s’étalant de 500 W à 2 kW. La densité de puissance est 1W/cm3. La CEM du convertisseur est développée dans cette thèse. / In this dissertation, a 2.5kW 400V/14V, 250kHz DC/DC converter prototype is developed targeted for electric vehicle/hybrid vehicle applications. Benefiting from numerous advantages brought by LLC resonant topology, this converter is able to perform high efficiency, high power density and low EMI. A first part of this dissertation is the theoretical analysis of LLC: topology analysis, electrical parameter calculation and control strategy. To arrange high output current, this thesis proposes parallel connected LLC structure with developed novel double loop control to realize an equal current distribution. The second part concerns on the system amelioration and efficiency improvement of developed LLC. A special transformer is dimensioned to integrate all magnetic components, and various types of power losses are quantified based on different realization modes and winding geometries to improve its efficiency. This converter also implements a robust synchronous rectification system with phase compensation, a power semiconductor module, and an air-cooling system. The power conversion performance of this prototype is presented and the developed prototype has a peak efficiency of 95% and efficiency is higher than 94% from 500W to 2kW, with a power density of 1W/cm3. The CEM analysis of this converter is also developed in this thesis.

Dans un scénario avec plusieurs réseaux sans fil de différentes technologies, ce travail a comme objectif la conception d'un moteur cognitif capable de reconnaitre l'environnement radio et de sélectionner un réseau avec le but final de maximiser la "qualité d'expérience" (QoE) de l'utilisateur. Un accent particulier est mis sur la simplicité de tous les éléments impliqués, du hardware aux algorithmes, afin de garder la faisabilité pratique de ce dispositif.Deux aspects ont été étudiés. Pour la reconnaissance de l'environnement radio une identification de réseau et une classification automatique sur la base de caractéristiques de la couche MAC a été proposée et testée. En ce qui concerne la sélection du réseau, des "Key Performance Indicators" (KPIs), qui sont des paramètres de la couche application, ont étés pris en compte afin d'obtenir la QoE désirée. Un modèle général pour la sélection du réseau a été proposé et testé avec de différents types de trafic par des simulations et par la réalisation d'un démonstrateur (application pour Android). De plus, comme il y a le problème de quand mesurer pour estimer la performance d'un réseau et quand l'utiliser effectivement pour transmettre et recevoir, le problème du bandit manchot ("Multi-armed bandit", MAB) a été appliqué à ce contexte et un nouveau modèle de MAB a été proposé afin de mieux répondre aux cas réels considérés. L'impact du nouveau modèle, qui introduit la distinction de deux actions différentes, mesurer et utiliser, a été testé par des simulations en utilisant des algorithmes déjà disponibles dans la littérature et deux algorithmes conçus spécifiquement. / In a scenario where multiple wireless networks of different technologies are available, this work addresses the problem of the design of a cognitive engine, core of a cognitive radio device, able to perform the surrounding radio environment recognition and the network selection with the final goal of maximization of final user Quality of Experience (QoE). Particular focus is put on the requirement of simplicity of all the elements involved, from hardware to algorithms, in order to keep in mind the importance of its practical realizability.Two aspects were investigated. For the surrounding radio environment recognition step, a network identification and automatic classification method based on MAC layer features was proposed and tested. As regards the network selection, Key Performance Indicators (KPIs), i.e. application layer parameters, were considered in order to obtain the desired goal of QoE. A general model for network selection was proposed and tested for different traffic types, both with simulations and a practical realization of a demonstrator (implemented as an application for Android OS). Moreover, as a consequence of the originated problem of when measuring to estimate a network performance and when effectively using the network for data transmission and reception purposes, the multi-armed bandit problem (MAB) was applied to this context and a new MAB model was proposed, in order to better fit the considered real cases scenarios. The impact of the new model, that introduces the distinction of two different actions, to measure and to use, was tested through simulations using algorithms already available in literature and two specifically designed algorithms.