Ces travaux de thèse apportent plusieurs contributions à la conception de dispositifs d'assistance robotisés pour la réalisation de procédures d'insertion d'aiguille sous imageur à rayons X. Partant de la tâche de positionnement et d'orientation d'une aiguille, plusieurs architectures mécaniques inédites à quatre degrés de liberté ont été proposées. Un algorithme de synthèse dimensionnelle a été conçu pour calculer les paramètres structuraux de ces mécanismes en étudiant leurs singularités, tout en tenant compte des contraintes antagonistes de compacité du système, de capacité d'actionnement et de taille d'espace de travail. Une décomposition modulaire du dispositif d'assistance a permis de proposer des solutions pour un outil dédié à l'insertion d'aiguille avec retour d'effort. Cet outil comporte un dispositif d'insertion, un système de préhension d'aiguille et un capteur d'effort spécifique pour le retour d'effort. / This thesis focuses on finding solutions for the design and the technological bottlenecks involving development of a slave robotic assistant for needle insertion procedures. The needed functionalities for the slave device were sought to be achieved by adopting a modular approach. This required the design and the development of different devices which satisfy targeted functionalities. A study of needle positioning devices was carried out which led to the synthesis of novel mechanisms for the task of needle axis translation and the needle axis orientation. A novel dimensional synthesis algorithm was developed to calculate the structural parameters of these mechanism while studying their singularities and considering the antagonistic constraints of system compactness, actuation torques and workspace size. The modular decomposition also allowed to offer solutions for an insertion tool dedicated to needle insertion with force feedback. This insertion tool consists of a device for inserting the needle, a device for grasping the needle and a force sensor for force feedback.

La radiologie interventionnelle percutanée permet le diagnostic ou le traitement de tissus cancéreux grâce à l'utilisation d'aiguilles et d'un guidage par imageur. Bénéfique pour le patient, ce type de procédure clinique est en revanche complexe pour le radiologue. Afin de lui apporter une assistance et de contrôler l'aiguille de manière déportée, nous proposons dans ces travaux de réaliser des dispositifs robotisés compliants, donc monoblocs, et multi-matériaux en exploitant la fabrication additive multi-matériaux. Pour y parvenir, nous proposons plusieurs solutions pour réaliser les fonctions cinématique, d'actionnement et de perception. En particulier, nous proposons une nouvelle liaison compliante, la liaison HSC, ainsi qu'un nouvel actionneur pneumatique pour l'insertion d'aiguille. Nous démontrons finalement les apports de la fabrication additive pour la robotique médicale en combinant l'ensemble de ces solutions dans un dispositif assurant un contrôle à distance de l'aiguille. / Percutaneous interventional radiology permits the diagnosis or the treatment of cancer tissues thanks to the use of needles and imaging devices. Being minimally invasive, such procedures are beneficial for the patient, but for the radiologist, they are highly complex. In order to assist the physician and remotely control the needle, we propose in this work the design and the manufacturing of multi-material compliant devices by taking advantage of multi-material additive manufacturing. To perform the design of such device, we propose several solutions in terms of kinematics, actuation and sensing. In particular, we developed a new compliant joint, the HSC joint, as well as a new pneumatic actuator for needle insertion. In the end, we demonstrate in the thesis the contributions of multi-material additive manufacturing for medical robotics, by combining all those solutions into a single device that remotely controls both the orientation and the insertion of the needle

Au cours des dernières décennies, la chirurgie mini invasive a progressivement gagné en popularité face à la chirurgie ouverte, grâce à de meilleurs bénéfices cliniques. Cependant, ce type d'intervention introduit une perte de vision directe sur la scène pour le chirurgien. L'introduction de la réalité augmentée en chirurgie mini invasive semble être une solution viable afin de remédier à ce problème et a donc été activement considérée par la recherche. Néanmoins, augmenter correctement une scène laparoscopique reste difficile à cause de la non-rigidité des tissus et organes abdominaux. En conséquence, la littérature ne fournit pas d'approche satisfaisante à la réalité augmentée en laparoscopie, car de telles méthodes manquent de précision ou requièrent un équipement supplémentaire, contraignant et onéreux. Dans ce contexte, nous présentons un nouveau paradigme à la réalité augmentée en chirurgie laparoscopique. Se reposant uniquement sur l'équipement standard d'une salle opératoire hybride, notre approche peut fournir la relation statique entre l'endoscope et un scan intraopératoire 3D. De nombreuses expériences sur un motif radio-opaque montrent quantitativement que nos augmentations sont exactes à moins d'un millimètre près. Des tests sur des données in vivo consolident la démonstration du potentiel clinique de notre approche dans plusieurs cas chirurgicaux réalistes. / Over the past decades, minimally invasive surgery has progressively become more popular than open surgery thanks to greater clinical benefits. However, this kind of intervention introduced a loss of direct vision upon the scene for the surgeon. Introducing augmented reality to minimally invasive surgery appears to be a viable solution to alleviate this drawback and has thus been an attractive topic for the research community. Yet, correctly augmenting a laparoscopic scene remains challenging, due to the non-rigidity of abdominal tissues and organs. Therefore, the literature does not report a satisfactory approach to laparoscopic augmented reality, as such methods lack accuracy or require expensive and impractical additional equipment. In light of this, we present a novel paradigm to augmented reality in abdominal minimally invasive surgery. Based only on standard hybrid operating room equipment, our approach can provide the static relationship between the endoscope and an intraoperative 3D scan. Extensive experiments on a radio-opaque pattern quantitatively show that the accuracy of our augmentations is less than one millimeter. Tests on in vivo data further demonstrates the clinical potential of our approach in several realistic surgical cases.

L'étude mécanique des instruments de musique met en oeuvre l'étude des musiciens, des instruments et de l'interaction complexe qui existe entre eux. L'analyse du geste musical nécessite de nombreuses mesures sur des musiciens pour en extraire les paramètres pertinents qui permettent de construire un modèle d'interaction musicien / instrument. Dans le cas des instruments à corde pincées, il s'agit de déterminer les conditions initiales imposées à la corde par le mécanisme de pincement contrôlé par le musicien (plectre, doigt). Comment obtenir tous ces paramètres sans perturber le jeu du musicien ? Comment vérifier qu'ils sont les seuls à déterminer la vibration future de la corde et lui donner sa signature acoustique ? Une plateforme expérimentale robotisée a été mise en place pour répondre à ces questions. Elle permet de reproduire le geste des musiciens, en particulier des harpistes et des clavecinistes. Il faut préciser ici que la notion de geste musical s'entend au sens large : le robot peut soit reproduire complètement la trajectoire suivie par le doigt du musicien, soit imposer les conditions initiales résultant de cette trajectoire, indépendamment du chemin suivi. Le premier cas est adapté à la résolution de problème de dynamique inverse pour accéder aux efforts articulaires mis en jeu par le musicien pendant l'accomplissement d'un extrait musical. La second cas sera privilégié pour imposer des conditions initiales à l'instrument, par l'intermédiaire de trajectoires d'études conçues spécifiquement par l'expérimentateur. La reproduction des trajectoires avec le robot nécessite de rejeter les perturbations introduites par le contact avec l'instrument. La conception d'un capteur d'effort intégré au robot a permis de satisfaire partiellement cette exigence. Après le détail de la conception de la plateforme robotisée, de sa validation comme un outil d'étude juste et répétable, un exemple d'utilisation est présenté dans le cadre d'une étude sur l'harmonisation des becs de clavecin. L'harmonisation est un processus complexe de réglage de l'instrument, réalisé par le luthier. Un modèle prenant en compte le toucher pendant l'interaction plectre / corde, et intégrant la géométrie du plectre résultant de l'harmonisation, ainsi que des expériences effectuées sur un clavecin, montrent que la forme du plectre affecte non seulement les conditions initiales de vibration des cordes de l'instrument mais aussi le ressenti du claveciniste. / The study of musical instruments involves the study of musicians, instruments and of the complex interaction that exists between them. The analysis of musical gestures requires numerous measurements on musicians to extract the relevant parameters in order to model their interaction. In the case of plucked string instruments, the goal is to determine the initial conditions imposed on the string by the plucking mechanism (plectrum, finger). How does one get all these parameters without disrupting the musician in playing conditions ? How can one know that the parameters are the best ones to describe the initial conditions of the string vibrations and its acoustic signature ? An experimental platform has been designed to answer these questions. It can reproduce the gesture of a musician, in particular of a harpist or a harpsichordist. It should be pointed out that the concept of a musical gesture is defined here in a broad sense : the robot can reproduce either the path followed by the musician's fingers, or the initial conditions resulting from this trajectory. The first method is particularly suited for the resolution of an inverse dynamic problem. One can then calculate the forces developed by the musician's muscles during the execution of a musical piece, for example. The second method is better suited for imposing specific initial conditions on the instrument through trajectories designed by the experimenter. The correct reproduction of the trajectories needs to reject disturbances due to the contact between the robot and the instrument. The design of a force sensor, integrated into the robot end effector, is a first step toward satisfying this requirement. After the design of the robotic platform, its precision and repeatability is investigated. The force sensor is then integrated on the robot end effector, and an example of its use is presented. The experiment is focused on the harmonization of the harpsichord plectra. Harmonization is a complex process of adjustments achieved by the luthier on the instrument. A model of the plectrum / string interaction, taking into account the geometry of the plectrum, as well as experiments performed on a real harpsichord, show that harmonization have an impact on the string initial conditions of vibration.

La microrobotique est un domaine de recherche en croissance rapide et les microsystèmes sont très demandés par un large éventail de notre vie. Aujourd’hui, des solutions d'automatisation massive sont déjà disponibles pour la production en série des microsystèmes, tandis que la production de petites quantités s'appuie principalement sur des processus manuels en l'absence de système de micro-manipulation flexible. Un processus manuel impose des contraintes à la productivité et la précision, ce qui accroît les difficultés pour les petites et moyennes entreprises à conquérir leur place sur le marché international. Dans ce contexte, la société pionnière pour la microrobotique Percipio Robotics a proposé une plate-forme cobotique Chronogrip, qui vise à gérer la micro-manipulation flexible. Toutefois, la solution n'est pas encore complète et il y a trois principaux défis à résoudre :• la dynamique de l'actionneur piézo-électrique stick-slip n'est pas entièrement comprise, ce qui retarde le développement des stratégies de suivi de trajectoire;• les interfaces haptiques ont peu de bande passante en raison des propriétés mécaniques, par conséquent il n'y a aucune option disponible qui soit capable de reproduire des informations haptiques de haute dynamique depuis le micromonde;• pour la micro-manipulation à la pince dans l'horlogerie, aucune interface haptique existante n'est en mesure d'assurer un fonctionnement intuitif et efficace.L’objectif de la thèse consiste à répondre à ces trois défis. La première partie de la thèse est consacrée à l'élaboration d'un modèle dynamique non linéaire de l'actionneur piézo-électrique stick-slip. Le résultat montre qu'il est le premier modèle dynamique qui puisse décrire la dynamique de l'actionneur dans des domaines temporels et fréquentiels, pour les fonctionnements en sous-pas et en grand déplacement, et à la fois pour les directions vers l'avant et l’arrière. La deuxième partie de la thèse est consacrée à développer une méthode pour étendre la bande passante d’une interface haptique en double étage en utilisant la technique de signal crossover. Le résultat montre que la bande passante est uniformément étendue à 1 kHz, ce qui rend possible la reproduction des phénomènes de haute dynamique depuis le micromonde. La troisième partie de la thèse vise à concevoir une interface haptique intuitive dédiée aux opérations d’horlogerie à la pince. Le design est également compatible avec l'utilisation conventionnelle d’une pince. Il est prévu d'intégrer tous les résultats de ces trois sujets de recherches dans la plate-forme de cobotique Chronogrip afin d’améliorer la productivité et l'efficacité de la micro-manipulation. / Microrobotics is a fast growing field of research and microsystems are in high demand from across a wide spectrum of our life. Nowadays, mass automation solutions are already available for large batch production of microsystems, while small batch production mainly relies on handmade processes due to the lack of flexible micro-manipulation system. Handmade processes have limited productivity and accuracy, which makes it more and more difficult for small and medium-sized enterprises to conquer their place on the international market. Under such circumstances, pioneer microrobotics company Percipio Robotics has proposed a desktop cobotic platform, Chronogrip, which aims to handle flexible micro-manipulation. However, the solution is not yet complete and there are three main challenges to resolve:• the dynamics of the piezoelectric stick-slip actuator is not fully understood, which delays the development of trajectory tracking strategies;• existing haptic interfaces have limited bandwidth due to their mechanical properties, consequently there is no available option that is able to render high dynamic haptic information from the microworld;• for tweezers-based micro-manipulation in watchmaking process, no existing haptic interface is able to provide intuitive and effective operation.The objective of thesis is to address these three issues. The first part of the thesis is dedicated to the development of nonlinear dynamic model of the piezoelectric stick-slip actuator. The result shows that it is the first dynamic model which can describe the actuator dynamics in time and frequency domain, for stepping and scanning mode, and for both forward and backward motion. The second part of the thesis is devoted to develop a method to extend the bandwidth of dual-stage haptic interface by using the signal crossover technique. The result shows that the bandwidth is uniformly extended to 1 kHz, which makes it possible to reproduce high dynamic phenomena from the microworld. The third part of the thesis aims to design an intuitive haptic interface for tweezers-based watchmaking operations. The design is also compatible with conventional tweezers-based usage. It is expected to integrate all of the three research results into the cobotic platform Chronogrip to enhance the productivity and effectiveness of micro-manipulation.

Avec la demande croissante d'espace urbain, de plus en plus de parkings à plusieurs étages sont nécessaires. Bien que ces parkings contribuent à une utilisation plus efficace de l'espace urbain, ils introduisent également un nouveau problème. Les rapports suggèrent environ 70 millions d'heures de recherche d'emplacements de stationnement chaque année, soit une perte équivalente de 700 millions d'euros pour la seule France. En outre, les utilisations des parkings vont au-delà de leurs objectifs initiaux. Des fonctionnalités exigeantes telles que le chargeur électrique, la réservation en ligne de places de stationnement, le guidage dynamique ou le paiement mobile, etc. transforment un parking en un environnement intelligent et compétitif. Une solution à ce problème consiste à développer un système de navigation autonome pour les véhicules intelligents en situation de parking. La thèse identifiera une de ces sous-tâches, à savoir la localisation dans des environnements non autorisés par GPS. Cette thèse présentera une nouvelle méthode pour résoudre le problème indiqué tout en maintenant le système en respectant quatre critères: disponibilité, évolutivité, universalité et précision. Il y a deux étapes principales: (1) une solution permettant de reproduire le comportement du GPS pour un environnement refusé par GPS, et (2) un cadre permettant la fusion de systèmes de type GPS avec d'autres méthodes de localisation pour obtenir une précision de localisation élevée. Tout d'abord, un système de localisation Wi-Fi Fingerprinting est utilisé. Une approche utilisant un réseau de neurones d'ensemble sur une base de données d'empreintes hybrides Wi-Fi est proposée dans cette thèse. Des expériences menées sur une durée d'un an montrent que ce système est capable de localiser des véhicules présentant une erreur moyenne de 2,25 m dans le repère global (WGS84). Deuxièmement, une solution de localisation complète doit être une fusion de plusieurs techniques. Cela permet aux niveaux de localisation global et local de fonctionner ensemble. Parallèlement, la redondance dans le système améliore la précision et la fiabilité. Dans cette thèse, un cadre de fusion flexible pour plusieurs capteurs de localisation est proposé. Ce cadre de fusion traitera non seulement de l'environnement refusé par le GPS, mais pourrait également être utilisé dans l'environnement assisté par GPS et assurer une transition en douceur entre les deux zones. Pour accomplir cette tâche exigeante, un filtre à particules modèle de mélange gaussien est développé. Alors que le modèle de mouvement de ce filtre à particules intègre des données provenant de l'IMU (unité de mesure inertielle) ou du laser-SLAM, le modèle de correction est un modèle de mélange gaussien de plusieurs observations obtenues à partir du système de localisation d'empreintes digitales Wi-Fi. Avec deux véhicules intelligents (une Cybercar et une Citroen C1), 64 expériences ont été réalisées pour valider le cadre. Une erreur de localisation moyenne de 0,5 m est obtenue dans un cadre de coordonnées global. Comparez avec d'autres solutions avec une erreur de localisation moyenne de 0,2 m dans les cadres de coordonnées locales; Cette solution proposée présente également des avantages en termes d'évolutivité, de disponibilité et d'universalité. / With the increasing demand for urban space, more and more multistory carparks are needed. Although these carparks help to utilize urban space more efficient, they also introduce a new problem. Reports suggest approximately 70 million hours of parking slot searching each year, equivalently 700 million euros loss for France alone. In addition, carparks uses are exceeding their original purposes. Demanding features such as electric charger, online booking of parking spaces, dynamic guidance or mobile payment etc. turn a carpark into a competitive smart environment. One solution to this problem is to develop an autonomous navigation system for intelligent vehicles in the carpark situation. The thesis will identify one of these sub-tasks namely localization in GPS-denied environments. This thesis will present a novel method to solve the indicated problem while keeping the system follows four criteria: availability, scalability, universality and accuracy. There are two main steps: (1) a solution to replicate the GPS behaviour for the GPS-denied environment, and (2) a framework that allows the fusion of GPS-like systems with other localization methods to achieve a high localization accuracy. First, a Wi-Fi Fingerprinting localization system is employed. An approach using an ensemble neural network on a hybrid Wi-Fi fingerprinting database is proposed in this thesis. Experiments in a year-long duration show that this system is capable of localizing vehicles with 2.25m of mean error in the global coordinate frame (WGS84). Second, a complete localization solution must be a fusion of multiple techniques. This allows global as well as local levels of localization to function together. At the same time, having redundancy in the system boosts accuracy and reliability. In this thesis, a flexible fusion framework for multiple localization sensors is proposed. This fusion framework will not only deal with the GPS-denied environment but could be potentially used in the GPS-aided environment and provide a smooth transition between the two areas. To accomplish this demanding task, a Gaussian Mixture Model Particle Filter is developed. While the motion model of this particle filter incorporates data from the IMU (Inertial Measurement Unit) or laser-SLAM, the correction model is a Gaussian mixture model of multiple observations obtained from the Wi-Fi fingerprinting localization system. With two intelligent vehicles (a Cybercar and a Citroen C1 car), 64 experiments were carried out to validate the framework. A mean localization error of 0.5m is achieved in a global coordinate frame. Compare to other solutions with 0.2m of mean localization error in local coordinate frames; this proposed solution has advantages in terms of scalability, availability and universality as well.

Dans cette thèse, nous développons des méthodes de contrôle pour stabiliser des systèmes quantiques en temps continu sous mesures quantiques non-destructives. En boucle ouverte, ces systèmes convergent vers un état propre de l'opérateur de mesure, mais l'état résultant est aléatoire. Le rôle du contrôle est de préparer un état prescrit avec une probabilité de un. Le nouvel élément pour atteindre cet objectif est l'utilisation d'un mouvement Brownien pour piloter les actions de contrôle. En utilisant la théorie stochastique de Lyapunov, nous montrons stabilité exponentielle globale du système en boucle fermés. Nous explorons aussi la syntèse du contrôle pour stabiliser un code correcteur d'erreurs quantiques en temps continu. Un autre sujet d'intérêt est l'implementation de contrôles efficacement calculables dans un contexte expérimental. Dans cette direction, nous proposons l'utilisation de contrôles et filtres qui calculent seulement les characteristiques classiques du système, correspondant a la base propre de l'opérateur de mesure. La formulation de dites filtres est importante pour adresser les problèmes de scalabilité du filtre posées par l'avancement des technologies quantiques. / In this thesis, we develop control methods to stabilize quantum systems in continuous-time subject to quantum nondemolition measurements. In open-loop such quantum systems converge towards a random eigenstate of the measurement operator. The role of feedback is to prepare a prescribed eigenstate with unit probability. The novel element to achieve this is the introduction of an exogenous Brownian motion to drive the control actions. By using standard stochastic Lyapunov techniques, we show global exponential stability of the closed-loop dynamics. We explore as well the design of the control layer for a quantum error correction scheme in continuous-time. Another theme of interest is towards the implementation of efficiently computable control laws in experimental settings. In this direction, we propose the use control laws and of reduced-order filters which only track classical characteristics of the system, corresponding to the populations on the measurement eigenbasis. The formulation of these reduced filters is important to address the scalability issues of the filter posed by the advancement of quantum technologies.

L'essor des systèmes mobiles pose de nouvelles problématiques dans le domaine de vision par ordinateur. Les techniques de ré-identification s'appuyant sur un réseau de caméras fixes doivent être repensées afin de s'adapter à un décor changeant. Pour répondre à ces besoins, cette thèse explore, dans le cadre du corps humain, l'utilisation d'un modèle structurel habituellement employé pour de la reconnaissance faciale. Il s'agit de l'alignement d'un modèle à distribution de points (Point Distribution Model ou PDM). L'objectif de ce pré-traitement avant la ré-identification est triple, segmenter la personne du décor, améliorer la robustesse vis-à-vis de sa pose et extraire des points clés spatiaux pour construire une signature basée sur son comportement.Nous concevons et évaluons un système complet de ré-identification, découpé en trois modules mis en séquence. Le premier de ces modules correspond à la détection de personnes. Nous proposons de nous baser sur une méthode de l'état de l'art utilisant les Channel Features avec l'algorithme AdaBoost.Le second module est l'alignement du PDM au sein de la boîte englobante fournie par la détection. Deux approches sont présentées dans cette thèse. La première s'appuie sur une formulation paramétrique du modèle de forme. L'alignement de ce modèle est guidé par la maximisation d'un score d'un modèle d'apparence GentleBoost utilisant des caractéristiques locales de type histogrammes de gradients orientés. La seconde approche exploite une technique de cascade de régressions de forme. L'idée principale est le regroupement de déformations homogènes en clusters et la classification de ces derniers dans le but d'aligner le PDM itérativement.Enfin, le troisième module est celui de la ré-identification. Nous montrons que l'utilisation d'un PDM en support permet d'améliorer les résultats de ré-identification. Nos expérimentations portent sur des signatures d'apparence classique, les histogrammes de couleurs, et sur un descripteur de forme, le Shape Context. L'évaluation de ce dernier fournit des résultats encourageants pour une perspective d'utilisation des PDM au sein d'une reconnaissance de démarches. / The emergence of mobile systems brings new problematics in computer vision. Static camera-based methods for re-identification need to be adapted in this new context. To deal with dynamical background, this thesis proposes to employ the well known Point Distribution Model (PDM), usually applied for face alignment, on the human body. Three advantages come from this pre-processing before re-identification, segment the person from background, enhance robustness to the person pose and extract spatial key points to build a behavioural-based signature.We implement and evaluate a complete framework for re-identification, divided in three sequential modules. The first one corresponds to the pedestrian detection. We use an efficient method of the state of the art employing the Channel Features with the algorithm AdaBoost.The second one is the PDM alignment within the bounding box provided by the detection step. Two distinct approaches are presented in this thesis. The first method relies on a parametric formulation to describe the shape, similar to the ASM or AAM. To fit this shape model, we maximize the score of an appearance model defined by GentleBoost, which employs local histograms of oriented gradients. The second approach is based on the cascade regression shape scheme. The main idea is the approximation for each step into a classification of homogeneous deformations, grouped by unsupervised clustering.The third module is the re-identfication one. We show that employing a PDM as a structural support improves re-identification results. We experiment classic appearance-based signatures, color histograms and the shape descriptor Shape Context. The results are encouraging for application perspective of PDM for the gait recognition.

L'adoption récente et généralisée des systèmes d'automatisation des véhicules, avec l’incorporation de la connectivité entre voitures, a encouragé l’utilisation des techniques comme le Contrôle Croisière Adaptatif Coopératif (CACC) et la conduite en convoi. Ces techniques ont prouvé l’amélioration du flux de trafic et la sécurité de la conduite, tout en réduisant la consommation d’énergie et les émissions CO_2. Néanmoins, la robustesse et la stabilité stricte du convoi, malgré les délais de communication et l’hétérogénéité des convois, restent des sujets de recherche en cours. Cette thèse a pour sujet la conception, l’analyse et validation de systèmes de contrôle pour le car-following automatisé et coopératif, en ciblant l’augmentation de ses avantages et son usage, en se concentrant sur la robustesse et la stabilité du convoi même sur des séries de véhicules hétérogènes avec des retards de communication. Une structure feedforward/feedback est développée, dont sa modularité est fondamentale pour la mise au point des approches avec des objectifs différents mais complémentaires. L’architecture permet non seulement l’adoption d’une stratégie d’espacement pour la range entière de vitesse, mais elle peut aussi être employée dans le cadre d’un CACC basé sur une machine d’état pour la conduite en convoi sur des environnements urbains avec des capacités de freinage d’urgence et de rejoint du convoi. Des différents algorithmes pour la conception de systèmes de contrôle feedback pour la régulation des distances sont présentés, pour quoi le calcul d’ordre fractionnaire démontre fournir des réponses fréquentielles de boucle fermé plus précises et satisfaire des besoins plus exigeantes. La performance est assurée malgré l’hétérogénéité avec la proposition de deux approches feedforward différents. Le premier est basé sur une topologie en considérant que le véhicule précédent dans la boucle, tandis que le deuxième inclut le véhicule leader pour améliorer la performance de suivi. Les algorithmes proposés sont validés avec des études de stabilité dans le domaine du temps et fréquence, ainsi que simulations et expérimentations réelles. / Recent widespread adoption of vehicle automation and introduction of vehicle-to-vehicle connectivity has opened the doors for techniques as Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) and platooning, showing promising results in terms of traffic capacity and safety improvement, while reducing fuel consumption and CO_2 emissions. However, robustness and strict string stability, despite communication delays and string heterogeneity is still an on-going research field. This thesis deals with the design, study and validation of control systems for cooperative automated car-following, with the purpose of extending their benefits and encourage their employment, focusing on robustness and string stability, despite possible V2V communication delays and string heterogeneity. A feedforward/feedback hierarchical control structure is developed, which modularity is fundamental for the proposal of approaches that target different but complementary performance objectives. The architecture not only permits the adoption of a full speed range spacing policy that target multiple criteria, but can also be employed in a state machine-based CACC framework for urban environments with emergency braking and platoon re-joining capabilities in case of pedestrian interaction. Different feedback control design algorithms are presented for the gap-regulation, for which the fractional-order calculus is demonstrated to provide more accurate closed loop frequency responses and satisfy more demanding requirements. Desired performance is ensured in spite of string heterogeneity through the proposal of two feedforward methods : one based on predecessor-only topology, while the second includes the leader vehicle information on feedforward to gain tracking capabilities. Proposed control algorithms are validated through time and frequency-domain stability studies, simulation and real platforms experiments.

L’avantage du train depuis sa création est sa faible résistance à l’avancement du fait du contact fer-fer de la roue sur le rail conduisant à une adhérence réduite. Cependant cette adhérence faible est aussi un inconvénient majeur : étant dépendante des conditions environnementales, elle est facilement altérée lors d’une pollution du rail (végétaux, corps gras, eau, etc.). Aujourd’hui, les mesures prises face à des situations d'adhérence dégradée impactent directement les performances du système et conduisent notamment à une perte de capacité de transport. L’objectif du projet est d’utiliser les nouvelles technologies d’imagerie spectrale pour identifier sur les rails les zones à adhérence réduite et leur cause afin d’alerter et d’adapter rapidement les comportements. La stratégie d’étude a pris en compte les trois points suivants : • Le système de détection, installé à bord de trains commerciaux, doit être indépendant du train. • La détection et l’identification ne doivent pas interagir avec la pollution pour ne pas rendre la mesure obsolète. Pour ce faire le principe d’un Contrôle Non Destructif est retenu. • La technologie d’imagerie spectrale permet de travailler à la fois dans le domaine spatial (mesure de distance, détection d’objet) et dans le domaine fréquentiel (détection et reconnaissance de matériaux par analyse de signatures spectrales). Dans le temps imparti des trois ans de thèse, nous nous sommes focalisés sur la validation du concept par des études et analyses en laboratoire, réalisables dans les locaux de SNCF Ingénierie & Projets. Les étapes clés ont été la réalisation d’un banc d’évaluation et le choix du système de vision, la création d'une bibliothèque de signatures spectrales de référence et le développement d'algorithmes classification supervisées et non supervisées des pixels. Ces travaux ont été valorisés par le dépôt d'un brevet et la publication d'articles dans des conférences IEEE. / The advantage of the train since its creation is in its low resistance to the motion, due to the contact iron-iron of the wheel on the rail leading to low adherence. However this low adherence is also a major drawback : being dependent on the environmental conditions, it is easily deteriorated when the rail is polluted (vegetation, grease, water, etc). Nowadays, strategies to face a deteriorated adherence impact the performance of the system and lead to a loss of transport capacity. The objective of the project is to use a new spectral imaging technology to identify on the rails areas with reduced adherence and their cause in order to quickly alert and adapt the train's behaviour. The study’s strategy took into account the three following points : -The detection system, installed on board of commercial trains, must be independent of the train. - The detection and identification process should not interact with pollution in order to keep the measurements unbiased. To do so, we chose a Non Destructive Control method. - Spectral imaging technology makes it possible to work with both spatial information (distance’s measurement, target detection) and spectral information (material detection and recognition by analysis of spectral signatures). In the assigned time, we focused on the validation of the concept by studies and analyses in laboratory, workable in the office at SNCF Ingénierie & Projets. The key steps were the creation of the concept's evaluation bench and the choice of a Vision system, the creation of a library containing reference spectral signatures and the development of supervised and unsupervised pixels classification. A patent describing the method and process has been filed and published.