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Ανάπτυξη λογισμικού για τον έλεγχο ηλεκτρικών παροχών μέσω PLC - εφαρμογές σε εργαστηριακό χώρο

Λυτσιούλης, Ευάγγελος 18 January 2011 (has links)
Η παρούσα διπλωματική εργασία περιλαμβάνει την πλήρη αυτοματοποίηση του τρόπου παραγωγής και διανομής των ηλεκτρικών παροχών στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Το πρώτο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας αφορά την περιγραφή του συστήματος παροχών του ΕΗΜΕ. Γίνεται περιγραφή του υπάρχοντος εξόπλισμου και εξετάξεται η δυνατότητά του να λειτουργήσει με PLC. Στην συνέχεια γίνεται περιγραφή της διαδικασίας προγραμματισμού του PLC και ο τρόπος που δομείται το εποπτικό περιβάλλον SCADA. Τέλος γίνεται ιδιαίτερη αναφορά σε κάποιες δυνατότητες που παρέχει το νέο πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα, όπως η δυνατότητα αυτόματου παραλληλισμού σύγχρονης μηχανής με το δίκτυο της ΔΕΗ και η διόρθωση τού συντελεστή ισχύος της εγκατάστασης. / The present diplomatic work includes the complete automation of way of production and distribution of Power supply in the Laboratory of electromechanis Transformation of Energy at the Department of Electricians of Engineers and Technology of Computers.
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Μελέτη και κατασκευή κυκλώματος οδήγησης κινητήρα τύπου DC Brushless χρησιμοποιώντας στοιχεία FPGA ή βιομηχανικό μικροελεγκτή

Αντωνάκου, Αλεξάνδρα 21 October 2010 (has links)
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, το σχεδιασμό και την κατασκευή κυκλώματος οδήγησης κινητήρα τύπου DC Brushless. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Η οδήγηση του κινητήρα τύπου DC Brushless γίνεται ηλεκτρονικά με τη χρήση τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Σκοπός λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι η κατασκευή του παραπάνω κυκλώματος. Ο κινητήρας τύπου DC Brushless είναι Σύγχρονος Κινητήρας Μόνιμου Μαγνήτη, επομένως το πρώτο που πραγματεύεται η διπλωματική εργασία είναι ο ορισμός κάποιων θεμελιωδών ιδιοτήτων του μαγνητικού πεδίου, και η μελέτη των χαρακτηριστικών των μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται σε αυτού του τύπου τις μηχανές. Στη συνέχεια μελετώνται οι Σύγχρονοι Κινητήρες Μόνιμου Μαγνήτη τραπεζοειδούς και ημιτονοειδούς παλμού ως προς τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά και την αρχή λειτουργίας τους. Παρατίθενται επίσης τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους σε σχέση με άλλους τύπους μηχανών και αναφέρονται κάποια πεδία στα οποία οι κινητήρες αυτοί βρίσκουν εφαρμογές. Ακόμα καταγράφονται λεπτομερώς οι μαθηματικές εξισώσεις λειτουργίας τους καθώς και η χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας. Στο επόμενο βήμα γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του μετατροπέα που κατασκευάστηκε καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων και στοιχείων που είναι αναγκαία για την λειτουργία του. Επιπροσθέτως, αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του μετατροπέα, που είναι η Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (PWM) και κατόπιν περιγράφεται αναλυτικά η κατασκευή και η υλοποίηση των παραπάνω κυκλωμάτων. Η παρούσα διπλωματική εργασία προχωράει με την περιγραφή των ιδιοτήτων του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε και την ανάλυση της παλμοδότησης του αντιστροφέα. Τέλος, ολοκληρώνεται με την παράθεση και το σχολιασμό των παλμογραφημάτων που προέκυψαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής . / This diploma thesis deals with the study, design and construction of a converter topology for a DC Brushless motor drives. The project was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of School of Engineerings, of University of Patras. Three-Phase DC Brushless motors are known to be controlled electronically using three-phase voltage inverter. Therefore, the aim of this paper is to construct this circuit. DC Brushless motors are Synchronous Permanent Magnet Motors so that the first thing we deal with in this diploma thesis is the definition of some fundamental properties of the magnetic field and the study of the characteristics of magnetic materials used in this type of motors. Then we examine the synchronous permanent magnet motors with trapezoidal and sinusoidal supply on the construction characteristics and the principle of operation. We also list some of their the advantages and disadvantages compared with other types of motors and mention some areas where these motors are finding application. We also record in detail the mathematical equations of operation and the torque-speed characteristics. The next step is a theoretical analysis of the circuit of the converter that was constructed and of all the other circuits and components necessary for its operation. Furthermore, we describe the method of pulse generation which is Pulse Width Modulation (PWM) and then we describe in detail the construction and implementation of these circuits. This essay goes on to analyze the properties of the microcontroller used and finally, it concludes with oscillograph figures and measurements, occurred from the experiments transacted after the finalization of the construction.
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Interfaces et capteurs pour une chaine de micro-téléopération / Sensors and devices for a micro-teleoperation system

Weill-Duflos, Antoine 06 July 2017 (has links)
La téléopération ouvre des possibilité nouvelles d'interaction avec le micro-monde. Avec des systèmes adaptés il devient possible de manipuler des éléments aux échelles microscopiques. L'ajout d'un retour haptique apporte une information supplémentaire nécessaire à une interaction naturelle. Cette thèse aborde la problématique de la conception d'une chaîne de téléopération haptique par la conception de ses éléments clefs. La première partie décrit l'optimisation de l'interface haptique à un degré de liberté haute fidelité issue des précédents travaux du laboratoire. Un premier travail augmente la précision des efforts produits. Cette amélioration est liée à une optimisation de la mesure de la vitesse de l'interface à des fréquences d’échantillonnage élevées. Un second point traite de la validation et quantification précise des forces de l'interface. La deuxième partie décrit deux nouveaux capteurs de force conçu spécifiquement pour les interactions avec le micro-monde. Ces fonctionnent sur le même principe de mesure par compensation. Deux approches sont suivies pour augmenter les fréquences des forces mesurable par le capteur. La première s'attache à réduire la masse en concevant un nouveau capteur à l'échelle micrométrique avec des technologies MEMS. Une deuxième approche modifie la conception du capteur et supprime la raideur dans le guidage. La troisième partie décrit la conception d'une nouvelle interface haptique à plusieurs degrés de liberté. Les éléments clefs de sa conception sont l'utilisation d'un palier à air, pour un guidage sans frottement, et de moteurs linéaires à induction, pour une inertie réduite. / Teleoperation opens up new possibilities for interaction with the micro-world. Adequate systems make it possible for human to manipulate elements on microscopic scales. An added haptic feedback provides information crucial for a natural interaction. A bilateral coupling between the subsystems offers the best haptic transparency. This thesis addresses the design of a complete haptic teleoperation chain by focusing on its key elements. Three parts are detailed: The first part describes improvements of the high fidelity one degree of freedom haptic interface designed previously. First, the precision of the forces produced is improved. This improvement is related to the measurement of the motor velocity at high sampling frequencies. Then, the device is precisely caracterized. The second part describes the design of two new force sensors designed specifically for interactions with the micro-world. The forces are measured by compensation. Two approach are observed to expand the frequencies of forces measurable by the sensors. First approach try to reduce the mass, a new sensor on a micrometric scale is built with MEMS technologies. The second approach offer a new design of the sensor. In particular, the stiffness in the guidance is removed. The third part describes the design of a new haptic interface with multiple degrees of freedom. This interface combines the performances of the one degree of freedom interface with a 2D configuration. The key elements of its design are the an air bearing for frictionless guidance and linear induction motors for reduced inertia.
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Commande robuste multi-variable des systèmes de comanipulation / Robust multi-variable control of comanpulating systems

Abroug, Neil 17 September 2018 (has links)
À l'aube de la quatrième révolution industrielle, la comanipulation robotique est une technologie clé tant elle allie la dextérité de l'opérateur humain à la puissance de la machine. Ce partage de tache entre humain et la machine, en sus dans un environnement incertain et inconnu à l'avance, apporte un lot de difficultés intrinsèques à la nature de cette interaction. Cette problématique a été intensivement étudiée durant les vingt dernières années, par diverses équipes de recherches, le plus souvent sur des dispositifs à un seul degré de liberté et avec des hypothèses fortes sur la nature du contrôleur. Dans la présente thèse, nous traitons la problématique de la comanipulation robotique à travers la commande Hoo structurée, cadre de travail particulièrement adapté aux systèmes multivariables et pouvant être étendu à une certaine classe de systèmes non linéaires – les robots manipulateurs en font partie – à travers une modélisation linéaire à paramètres variants (LPV). Les exigences de performance et de stabilité propres aux systèmes de comanipulation sont exprimées en termes de contraintes Hoo et de conditions de secteurs à respecter. Les objectifs de commande ainsi formalisés, sont résolus par optimisation non lisse afin de tirer profit des structures particulières des contrôleurs de robots de comanipulation. La validation de la méthodologie est réalisée par des simulations intensives et des expérimentations sur des dispositifs réels. / At the dawn of the fourth industrial revolution, robotic comanipulation is a key technology as it combines the dexterity of the human operator with the power of the machine. This task sharing between human and machine, in an uncertain and previously unknown environment, brings a lot of intrinsic difficulties to the nature of this interaction. This problem has been intensively studied over the last two decades by various research teams, mostly on devices with a single degree of freedom and with strong hypotheses about the controller structure. In this thesis, we deal with the problem of robotic comanipulation through the scope of the structured Hoo control, a framework particularly adapted to multivariable systems and which can be extended to a certain class of non-linear systems – manipulating robots are part of it – through linear parameter varying (LPV) models. The performance and stability requirements specific to comanipulation systems are expressed in terms of Hoo constraints and sector bounds. The control objectives thus formalised are solved by non-smooth optimization in order to take advantage of the particular structures of the comanipulation robot controllers. The validity of the methodology is carried out by intensive simulations and experiments on real devices.
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Méthodologie de conception de système multi-robots : de la simulation à la démonstration / Multi-robot System Design Methodology : from Simulation to Demonstration

Kancir, Pierre 11 December 2018 (has links)
Méthodologie de Conception de Système Multi-robots : de la Simulation à la Démonstration. Les systèmes multi-robots sont des systèmes complexes mais prometteurs dans de nombreux domaines, les nombreux travaux académiques dans ce domaine attestent de l'importance qu'ils auront dans le futur. Cependant, si ces promesses sont réelles, elles ne sont pas encore réalisées comme en témoigne le faible nombre de systèmes multi-robots utilisés dans l'industrie. Pourtant des solutions existent afin de permettre aux industriels et académiques de travailler ensemble à cette problématique. Nous proposons un état de l'art et les défis associés à la conception des systèmes multi-robots d'un point de vue académique et industriel. Nous présentons ensuite trois contributions pour la conception de ces systèmes : une réalisation d'un essaim hétérogène en tant que cas d'étude pratique afin de mettre en évidence les obstacles de conception. La modification d'un autopilote et d'un simulateur pour les rendre compatibles aux développements des systèmes multi-robots. La démonstration d'un outil d'évaluation sur la base des deux contributions précédentes. Enfin, nous concluons sur la portée de ces travaux et des perspectives à venir sur la base de l'open source / Multi-robot System Design Methodology : from Simulation to Demonstration Multi-robot systems are complex but promising systems in many fields, the number of academic works in this field underlines the importance they will have in the future. However, while these promises are real, they have not yet been realized, as evidenced by the small number of multi-robot systems used in the industry. However, solutions exist to enable industrialists and academics to work together on this issue. We propose a state of the art and challenges associated with the design of multi-robot systems from an academic and industrial point of view. We then present three contributions for the design of these systems: a realization of a heterogeneous swarm as a practical case study in order to highlight the design obstacles. The modification of an autopilot and a simulator to make them compatible with the development of multi-robot systems. Demonstration of an evaluation tool based on the two previous contributions. Finally, we conclude on the scope of this work and future perspectives based on open source.
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Contributions to the use of 3D lidars for autonomous navigation : calibration and qualitative localization / Contributions à l'exploitation de lidar 3D pour la navigation autonome : calibrage et localisation qualitative

Muhammad, Naveed 01 February 2012 (has links)
Afin de permettre une navigation autonome d'un robot dans un environnement, le robot doit être capable de percevoir son environnement. Dans la littérature, d'une manière générale, les robots perçoivent leur environnement en utilisant des capteurs de type sonars, cameras et lidar 2D. L'introduction de nouveaux capteurs, nommés lidar 3D, tels que le Velodyne HDL-64E S2, a permis aux robots d'acquérir plus rapidement des données 3D à partir de leur environnement. La première partie de cette thèse présente une technique pour la calibrage des capteurs lidar 3D. La technique est basée sur la comparaison des données lidar à un modèle de vérité de terrain afin d'estimer les valeurs optimales des paramètres de calibrage. La deuxième partie de la thèse présente une technique pour la localisation et la détection de fermeture de boucles pour les robots autonomes. La technique est basée sur l'extraction et l'indexation des signatures de petite-taille à partir de données lidar 3D. Les signatures sont basées sur les histogrammes de l'information de normales de surfaces locale extraite à partir des données lidar en exploitant la disposition des faisceaux laser dans le dispositif lidar / In order to autonomously navigate in an environment, a robot has to perceive its environment correctly. Rich perception information from the environment enables the robot to perform tasks like avoiding obstacles, building terrain maps, and localizing itself. Classically, outdoor robots have perceived their environment using vision or 2D lidar sensors. The introduction of novel 3D lidar sensors such as the Velodyne device has enabled the robots to rapidly acquire rich 3D data about their surroundings. These novel sensors call for the development of techniques that efficiently exploit their capabilities for autonomous navigation.The first part of this thesis presents a technique for the calibration of 3D lidar devices. The calibration technique is based on the comparison of acquired 3D lidar data to a ground truth model in order to estimate the optimal values of the calibration parameters. The second part of the thesis presents a technique for qualitative localization and loop closure detection for autonomous mobile robots, by extracting and indexing small-sized signatures from 3D lidar data. The signatures are based on histograms of local surface normal information that is efficiently extracted from the lidar data. Experimental results illustrate the developments throughout the manuscript
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Gain-scheduled controller design framework : an application of cluster analysis to the field of feedback control / Un cadre de conception de correcteur à séquencement de gain : application de l’analyse par secteurs au domaine de la commande

Fleischmann, Sebastian 19 November 2018 (has links)
Cette thèse présente un nouveau cadre pour la conception de correcteurs à gain programmé. Une partie de ce cadre est une fusion novatrice de la théorie des systèmes et de la commande (la métrique ν-gap et sa variante fréquentiellle) et de l'analyse en grappes, technique commune en analyse de données statistiques, apprentissage automatique, fouille de données, etc. La combinaison des deux champs permet de subdiviser le domaine de fonctionnement d'un système non linéaire en secteurs afin de récupérer des informations sur le comportement en boucle fermée avant la conception de la commande. Chaque secteur représente une partie du domaine opérationnel ayant des propriétés de retour similaires, c'est-à-dire que les points de fonctionnement dans un secteur ont des comportements davantage similaires (mesurés par la mesure d'écart ponctuel) les uns des autres que les points de fonctionnement des autres secteurs. La solution de sectorisation est utilisée en vue de réaliser des correcteurs séquencés réglés à partir d'un modèle linéarisé. Par exemple, une distribution optimisée et parcimonieuse des points de synthèse pour les correcteurs LTI est sélectionnée et la distribution des secteurs est exploitée pour le mélange des correcteurs linéaires individuels en un correcteur non-linéaire couvrant l'ensemble du domaine de fonctionnement. L'avantage général de ce cadre est qu'il présente une procédure systématique qui réduit potentiellement le temps, les efforts et donc le coût global d'un projet de développement en réduisant les itérations inutiles au cours du cycle de conception. Le cadre proposé est évalué à partir d’un exemple générique de missile industriel. / This thesis presents a new framework for the design of gain-scheduled controllers. Part of this framework is a novel merging of system & control theory (the ν-gap and pointwise gap metric) and cluster analysis, a common technique in statistical data analysis, machine learning, data mining, etc. The combination of both fields allows for a subdivision of a nonlinear system's operating domain into sectors in order to retrieve information on the feedback behaviour before the actual control design. Each sector represents a part of the operating domain with similar feedback properties, i.e. operating points inside a sector are more similar (as measured by the pointwise gap metric) to each other than to operating points in other sectors. The sectoring solution is used in the proposed framework to support the design of a linearization-based gain-scheduled controller. For example, a reduced and optimized distribution of design points for the LTI controllers is selected and the sectors' distribution is exploited for the blending of the individual linear controllers into an operating domain wide nonlinear controller. The overall advantage of the framework is that it presents a systematic procedure that potentially reduces the overall time, effort, and therefore cost of a development project by preventing unnecessary iterations in the design cycle specifically associated with the control design. The proposed framework is verified at the example of a generic industrial missile benchmark.
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Planification locale de trajectoires à deux étapes basée sur l’interpolation des courbes optimales pré-planifiées pour une conduite humaine en milieu urbain / Two-staged local trajectory planning based on optimal pre-planned curves interpolation for human-like driving in urban areas

Garrido Carpio, Fernando José 04 December 2018 (has links)
Les systèmes de transport intelligents (STI) sont conçus pour améliorer les transports, réduire les accidents, le temps de transport et la consommation de carburant, tout en augmentant la sécurité, le confort et l'efficacité de conduite. L'objectif final de ITS est de développer ADAS pour faciliter les tâches de conduite, jusqu'au développement du véhicule entièrement automatisé. Les systèmes actuels ne sont pas assez robustes pour atteindre un niveau entièrement automatisé à court terme. Les environnements urbains posent un défi particulier, car le dynamisme de la scène oblige les algorithmes de navigation à réagir en temps réel aux éventuels changements, tout en respectant les règles de circulation et en évitant les collisions avec les autres usagers de la route. Sur cette base, cette thèse propose une approche de la planification locale en deux étapes pour apporter une solution au problème de la navigation en milieu urbain. Premièrement, les informations statiques des contraintes de la route et du véhicule sont considérées comme générant la courbe optimale pour chaque configuration de virage réalisable, où plusieurs bases de données sont générées en tenant compte de la position différente du véhicule aux points de début et de fin des courbes, permettant ainsi une analyse réaliste. planificateur de temps pour analyser les changements de concavité en utilisant toute la largeur de la voie. Ensuite, la configuration réelle de la route est envisagée dans le processus en temps réel, où la distance disponible et la netteté des virages à venir et consécutifs sont étudiées pour fournir un style de conduite à la manière humaine optimisant deux courbes simultanément, offrant ainsi un horizon de planification étendu. Par conséquent, le processus de planification en temps réel recherche le point de jonction optimal entre les courbes. Les critères d’optimalité minimisent à la fois les pics de courbure et les changements abrupts, en recherchant la génération de chemins continus et lisses. Quartic Béziers est l'algorithme d'interpolation utilisé en raison de ses propriétés, permettant de respecter les limites de la route et les restrictions cinématiques, tout en permettant une manipulation facile des courbes. Ce planificateur fonctionne à la fois pour les environnements statiques et dynamiques. Les fonctions d'évitement d'obstacles sont présentées en fonction de la génération d'une voie virtuelle qui modifie le chemin statique pour effectuer chacune des deux manoeuvres de changement de voie sous la forme de deux courbes, convertissant le problème en un chemin statique. Ainsi, une solution rapide peut être trouvée en bénéficiant du planificateur local statique. Il utilise une discrétisation en grille de la scène pour identifier l'espace libre nécessaire à la construction de la route virtuelle, où le critère de planification dynamique consiste à réduire la pente pour les changements de voie. Des essais de simulation et des tests expérimentaux ont été réalisés pour valider l'approche dans des environnements statiques et dynamiques, adaptant la trajectoire en fonction du scénario et du véhicule, montrant la modularité du système. / Intelligent Transportation Systems (ITS) developments are conceived to improve transportation reducing accidents, transport time and fuel consumption, while increasing driving security, comfort and efficiency. The final goal of ITS is the development of ADAS for assisting in the driving tasks, up to the development of the fully automated vehicle. Despite last ADAS developments achieved a partial-automation level, current systems are not robust enough to achieve fully-automated level in short term. Urban environments pose a special challenge, since the dynamism of the scene forces the navigation algorithms to react in real-time to the eventual changes, respecting at the same time traffic regulation and avoiding collisions with other road users. On this basis, this PhD thesis proposes a two-staged local planning approach to provide a solution to the navigation problem on urban environments. First, static information of both road and vehicle constraints is considered to generate the optimal curve for each feasible turn configuration, where several databases are generated taking into account different position of the vehicle at the beginning and ending points of the curves, allowing the real-time planner to analyze concavity changes making use of the full lane width.Then, actual road layout is contemplated in the real-time process, where both the available distance and the sharpness of upcoming and consecutive turns are studied to provide a human-like driving style optimizing two curves concurrently, offering that way an extended planning horizon. Therefore, the real-time planning process searches the optimal junction point between curves. Optimality criteria minimizes both curvature peaks and abrupt changes on it, seeking the generation of continuous and smooth paths. Quartic Béziers are the interpolating-based curve algorithm used due to their properties, allowing compliance with road limits and kinematic restrictions, while allowing an easy manipulation of curves. This planner works both for static and dynamic environments. Obstacle avoidance features are presented based on the generation of a virtual lane which modifies the static path to perform each of the two lane change maneuvers as two curves, converting the problem into a static-path following. Thus, a fast solution can be found benefiting from the static local planner. It uses a grid discretization of the scene to identify the free space to build the virtual road, where the dynamic planning criteria is to reduce the slope for the lane changes. Both simulation and experimental test have been carried out to validate the approach, where vehicles performs path following on static and dynamic environments adapting the path in function of the scenario and the vehicle, testing both with low-speed cybercars and medium-speed electic platforms, showing the modularity of the system.
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Contribution à la mise en œuvre d’une architecture ambiante d’interaction homme-robot-environnement. Dans le cadre de la robotique d’aide à la personne dépendante. / Contribution to the implementation of an ambient architecture for the human-robot-environment interaction, as part of the robotics help for dependent people.

Touileb Djaid, Nadia 16 December 2017 (has links)
Le sujet de cette thèse de doctorat consiste à proposer une architecture ambiante d’interaction homme-robot-environnement. Dans le cadre de la robotique d’aide à la personne dépendante. Cette architecture va permettre aux robots « Ubiquitous Networked Robots » de prendre en compte le contexte évolutif pour fournir continuellement du service à l'utilisateur. L'architecture proposée utilise le concept d'Ontologie du domaine pour la description de l'environnement. Nous avons choisi d'utiliser l'outil open source PROTEGE qui va nous permettre de définir l'ontologie ainsi que les moteurs de fusion et de fission. Les entrées multimodales seront fusionnées puis subdivisées en tâches élémentaires et envoyées comme commandes au fauteuil roulant muni d'un bras manipulateur. Cette architecture sera validée par des spécifications et des simulations via des réseaux de Pétri temporels et stochastiques. / The subject of this thesis is to provide an ambient architecture for the human-robotenvironment interaction, as part of thedependent person robotics help. This architecture will enable the robot to take into account the changing context and continually provide a service to the user. The architecture uses the concept of ontology for the descriptionof the environment. We have chosen to use the open source PROTEGE because it allows the definition of the ontology and the fusion and fission engines. Indeed, multimodal inputs will be merged and subdivided into elementary tasks and sent tocontrol the wheelchair with the manipulated arm. This architecture will be validated by specifications and simulations via temporal and stochastic Petri nets.
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Conception d'un environnement virtuel avec adaptation de l'immersion pour la simulation de conduite en fauteuil roulant / Design of a virtual environment with adaptation of immersion for wheelchair driving simulation

Goncalves, Frédéric 29 September 2014 (has links)
Cette thèse porte sur l’adaptation de l’immersion lors de la simulation de conduite en fauteuil roulant. Il s’agit d’étudier le réalisme des retours sensoriels impliqués dans un environnement virtuel afin de pouvoir adapter l’immersion en fonction des préférences de l’utilisateur et de la tâche à accomplir. Ces travaux ont été effectués dans le cadre du projet AccesSim soutenu par la région Ile–de-France. L'objectif du projet est de développer un simulateur dynamique pour évaluer l'accessibilité d'environnement urbain et également, de procéder à l'entraînement à l’usage de fauteuils roulants.Dans le cadre de la conduite en fauteuil roulant, il est nécessaire que le comportement de conduite soit cohérent entre une situation réelle et une situation simulée. Pour cela, il faut que l’environnement virtuel et les retours sensoriels soient suffisamment immersifs et réalistes. Notre proposition est de spécifier une configuration immersive en adaptant les retours haptiques et visuels du simulateur. Nous avons validé cette hypothèse à l’aide du simulateur développé dans le cadre du projet AccesSim.Dans la première partie de la thèse, la contribution porte sur la conception du simulateur AccesSim. Cette conception porte sur l’environnement logiciel en charge des fonctionnalités innovantes : aide au diagnostic d’accessibilité et navigation 3D en fauteuil roulant à l’aide d’un modèle dynamique de fauteuil roulant. Pour permettre une navigation en fauteuil roulant, le simulateur est couplé à une plateforme robotique intégrant des retours haptiques et vestibulaires.La seconde partie de la thèse porte sur l’analyse du comportement de conduite des utilisateurs. Il s’agit de comparer la conduite en situation réelle et en situation virtuelle en fonction de la configuration du simulateur. Cette analyse montre la sensibilité des résultats vis-à-vis des profils des usagers et de l’immersion.Enfin, nous avons étudié les différents retours sensoriels participant à la qualité de l’immersion. Le premier retour concerne le sens vestibulaire. Il est dépendant des retours haptiques du simulateur robotique. Ce retour sensoriel supplémentaire doit permettre d’améliorer les performances de conduite de l’utilisateur. Nous avons évalué la perception de ce retour sur la base d’une tâche de descente d’une marche à l’aide d’un fauteuil roulant. Dans la thèse, nous avons montré les performances de notre solution ainsi que le besoin d’adapter ce retour haptique pour chaque utilisateur.Le second retour sensoriel étudié concerne les retours visuels. Nous avons proposé une configuration d’immersion visuelle modulable. Elle permet une immersion plus ou moins égocentrée. En analysant les trajectoires d’utilisateurs effectuées avec les différentes configurations d’immersion, nous pouvons évaluer la configuration la plus efficace en fonction de l’environnement et des préférences de chaque utilisateur.Ces deux études sur les retours sensoriels ont été basées sur des évaluations avec deux groupes d’utilisateurs : un groupe d’expert (thérapeutes et ergonomes) et un groupe de personnes en situation de handicap. / This thesis focuses on the adaptation of the immersion in a driving wheelchair simulation. This is the study of sensory feedback realism involved in a virtual environment in order to adapt the immersion according to user preferences and the task to perform. These works were performed within the AccesSim project supported by the Ile de France region. The project objective is to develop a dynamic simulator to evaluate the accessibility and also urban environment, to conduct training in the use of wheelchairs.In the context of wheelchair driving, it is necessary that the driving behavior is consistent between a real situation and a simulated situation. To do this, we need the virtual environment and the sensory feedback to be sufficiently realistic and immersive. Our proposal is to specify an immersive configuration adapting haptic and visual feedback from the simulator. We validated this hypothesis using the simulator developed within the AccesSim project.In the first part of the thesis, the contribution focuses on the design of the AccesSim simulator. This design focuses on the software environment responsible for the innovative features: assistance for accessibility diagnosis and 3D navigation with a wheelchair using a dynamic model. To enable navigation in a wheelchair, the simulator is coupled to a robotic platform integrating haptic and vestibular feedback.The second part of the thesis focuses on the analysis of driving behavior of users. It comes to comparing the driving in real and virtual situation depending on the configuration of the simulator. This analysis shows the sensitivity of results towards profiles of users and immersion.Finally, we studied the different sensory feedback involved in the quality of immersion. The first feedback concerns the vestibular sense. It depends on haptic feedback simulator. This additional sensory feedback should improve driving performance of the user. We evaluated the perception on the basis of a task consisting in going down a step using a wheelchair. In the thesis we have shown the performance of our solution and the need to adapt the haptic feedback for each user.The second sensory feedback investigated concerns visual feedback. We proposed a modular configuration of visual immersion. It allows immersion more or less egocentric. By analyzing the trajectories of users performed with the different configurations of immersion, we can evaluate the most efficient configuration depending on the environment and preferences of each user.These two studies on sensory feedback were based on evaluations with two groups of users: an expert group (therapists and ergonomists) and a group of people with disabilities.

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