Alors que de nombreux exosquelettes destinés à la rééducation neuromotrice ont été développés ces dernières années, ces dispositifs n'ont pas encore permis de vrai progrès dans la prise en charge des patients cérébrolésés. Une des clés pour améliorer les faibles résultats thérapeutiques obtenus serait de constamment adapter la thérapie robotisée en fonction de l'évolution du patient et de sa récupération, en adaptant l'assistance fournie par le robot pour maximiser l'engagement du patient. L'objectif de cette thèse est donc de comprendre les processus d'adaptations réciproques dans un contexte d'interaction physique Homme-Exosquelette. Dans un premier temps nous avons donc développé un nouveau type de contrôleur adaptatif qui assiste le sujet "au besoin", en modulant l'assistance fournie; et évalué différent signaux pour piloter cette adaptation afin de suivre au mieux la récupération du patient. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'adaptation de sujets sains à l'application de champs de forces distribués par un exosquelette sur leur bras durant la réalisation de mouvements dans l'espace. En effet, lors d'une interaction physique homme-robot, le sujet adapte aussi son comportement aux contraintes exercées par le robot. D'importantes différences inter-individuelles ont été observées, avec une adaptation à la contrainte imposée chez seulement 21% des sujets, mais avec des effets à-posteriori persistants mesurés chez 85% d'entre eux; ainsi qu'une généralisation dans l'espace de ces effets et un transfert à des contextes différents (hors du robot). Ces premiers résultats devraient permettre à terme d'améliorer la rééducation neuromotrice robotisée. / While many robotic exoskeletons have been developed for stroke rehabilitation in recent years, there were not yet improvements to the traditional therapy. A key to unleash the potentiality of robotics is to adapt the assistance provided by the robot in order to maximize the subject engagement and effort, by having the robotic therapy evolving with the patient recovery. For this reason, we aim at better understanding the process of reciprocal adaptation in a context of physical Human-Robot Interaction (pHRI). We first developed a new adaptive controller, which assists the subject "as-needed", by regulating its interaction to maximize the human involvement. We further compared different signals driving this adaptation, to better following the functional recovery level of the patients. While the control is performed by the robot, the subject is also adapting his movements, and this adaptation has not yet been studied when dealing with 3D movements and exoskeletons. Therefore, we exposed human motions to distributed force fields, generated by the exoskeleton at the joint level, to produce specific inter-joint coordination and to analyse the effects of this exposition. With healthy participants, we observed important inter-individual difference, with adaptation to the fields in 21% of the participants, but post-effects and persisting retention of these in time in 85% of the subjects, together with spatial generalization, and, preliminarily, transfer of the effects outside of the exoskeleton context. This work towards understanding pHRI could provide insights on innovative ways to develop new controllers for improving stroke motor recovery with exoskeletons.

La robotique mobile autonome est un axe de recherche qui vise à donner à une machine la capacité de se mouvoir dans un environnement sans assistance ni intervention humaine. Cette thèse s’intéresse à la partie décisionnelle de la navigation robotique à savoir la planification de mouvement pour un robot mobile non-holonome, pour lequel, la prise en compte des contraintes cinématiques et non-holonomes est primordiale. Aussi, la nécessité de considérer la géométrie propre du robot et la bonne maîtrise de l’environnement dans lequel il évolue constituent des contraintes à assurer. En effet la planification de mouvement consiste à calculer un mouvement réalisable que doit accomplir le robot entre une position initiale et une position finale données. Selon la nature de l’environnement, notamment les obstacles qui s’y présentent, deux instances du problème se distinguent : la planification de chemin et la planification de trajectoire. L’objectif de cette thèse est de proposer de nouveaux algorithmes pour contribuer aux deux instances du problème de planification de mouvement. La méthodologie suivie repose sur des solutions génériques qui s’appliquent à une classe de systèmes robotiques plutôt qu’à une architecture particulière. Les approches proposées intègrent les B-splines Rationnelles non uniformes (NURBS) dans le processus de modélisation des solutions générées tout en s’appuyant sur la propriété de contrôle local, et utilisent les algorithmes génétiques pour une meilleure exploration de l’espace de recherche. / The mobile robotics is an area of research that aims to give a machine the ability to move in an environment without assistance or human intervention. This thesis focuses on the decisional part of robotic navigation, namely motion planning for a non-holonomic mobile robot, for which, the consideration of kinematic and non-holonomic constraints is paramount. Also, the need to consider the specific geometry of the robot and the good control of the environment in which it operates are constraints to insure. Indeed, motion planning is to calculate a feasible movement to be performed by the robot between an initial and a final given position. Depending on the nature of the environment, two instances of the problem stand out: the path planning and the trajectory planning. The objective of this thesis is to propose new algorithms to contribute to the two instances of motion planning problem. The followed methodology is based on generic solutions that are applicable to a class of robotic systems rather than a particular architecture. The proposed approaches include the Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) in the modeling process of the generated solutions while relying on the local control property. Also, they use genetic algorithms for better exploration of the search space.

Les robots ont amélioré les industries, en particulier les systèmes d'assemblage basé sur des conveyors et ils ont le potentiel pour apporter plus de bénéfices: transports; exploration de zones dangereuses, mer profonde et même d'autres planètes; santé et dans la vie courante.Une barrière majeure pour leur évasion des environnements industriels avec des enceintes vers des environnements partagés avec les humains, c'est leur capacité réduite dans les tâches d’interaction physique, inclue la manipulation d'objets.Tandis que la dextérité de la manipulation n'est pas affectée par la cécité dans les humains, elle décroit énormément pour les robots: ils sont limités à des environnements statiques, mais le monde réel est très changeant. Dans cette thèse, nous proposons une approche différente qui considère le contrôle du contact pendant les interaction physiques entre un robot et l'environnement.Néanmoins, les approches actuelles pour l'interaction physique sont pauvres par rapport au numéro de tâches qu'elles peuvent exécuter. Pour permettre aux robots d'exécuter plus de tâches, nous dérivons des caractéristiques tactiles représentant les déformations de la surface molle d'un capteur tactile et nous incorporons ces caractéristiques dans le contrôleur d'un robot à travers des matrices de mapping tactile basées sur les informations tactiles et sur les tâches à développer.Dans notre première contribution, nous montrons comment les algorithmes de traitement d'images peuvent être utilisés pour découvrir la structure tridimensionnelle subjacente du repère de contact entre un objet et une matrice de capteurs de pression avec une surface molle attachée à l’effecteur d'un bras robotique qui interagit avec cet objet. Ces algorithmes obtiennent comme sorties les soi-disant caractéristiques tactiles. Dans notre deuxième contribution, nous avons conçu un contrôleur qui combine ces caractéristiques tactiles avec un contrôleur position-couple du bras robotique.Il permet à l'effecteur du bras déplacer le repère du contact d'une manière désirée à travers la régulation d'une erreur dans ces caractéristiques. Finalement, dans notre dernière contribution,avec l'addition d'une couche de description des tâches, nous avons étendu ce contrôleur pour adresser quatre problèmes communs dans la robotique: exploration, manipulation, reconnaissance et co-manipulation d'objets.Tout au long de cette thèse, nous avons mis l'accent sur le développement d'algorithmes qui marchent pas simplement avec des robots simulés mais aussi avec de robots réels. De cette manière, toutes ces contributions ont été évaluées avec des expériences faites avec au moins un robot réel. En général, ce travail a comme objectif de fournir à la communauté robotique un cadre unifié qui permet aux bras robotique d'être plus dextres et autonomes. Des travaux préliminaires ont été proposés pour étendre ce cadre au développement de tâches qui impliquent un contrôle multi-contact avec des mains robotiques multi-doigts. / Robots have improved industry processes, most recognizably in conveyor-belt assemblysystems, and have the potential to bring even more benefits to our society in transportation,exploration of dangerous zones, deep sea or even other planets, health care and inour everyday life. A major barrier to their escape from fenced industrial areas to environmentsco-shared with humans is their poor skills in physical interaction tasks, includingmanipulation of objects. While the dexterity in manipulation is not affected by the blindnessin humans, it dramatically decreases in robots. With no visual perception, robotoperations are limited to static environments, whereas the real world is a highly variantenvironment.In this thesis, we propose a different approach that considers controlling contact betweena robot and the environment during physical interactions. However, current physicalinteraction control approaches are poor in terms of the range of tasks that can beperformed. To allow robots to perform more tasks, we derive tactile features representingdeformations of the mechanically compliant sensing surface of a tactile sensor andincorporate these features to a robot controller via touch-dependent and task-dependenttactile feature mapping matrices.As a first contribution, we show how image processing algorithms can be used todiscover the underlying three dimensional structure of a contact frame between an objectand an array of pressure sensing elements with a mechanically compliant surfaceattached onto a robot arm’s end-effector interacting with this object. These algorithmsobtain as outputs the so-called tactile features. As a second contribution, we design a tactileservoing controller that combines these tactile features with a position/torque controllerof the robot arm. It allows the end-effector of the arm to steer the contact frame ina desired manner by regulating errors in these features. Finally, as a last contribution, weextend this controller by adding a task description layer to address four common issuesin robotics: exploration, manipulation, recognition, and co-manipulation of objects.Throughout this thesis, we make emphasis on developing algorithms that work notonly with simulated robots but also with real ones. Thus, all these contributions havebeen evaluated in experiments conducted with at least one real robot. In general, thiswork aims to provide the robotics community with a unified framework to that will allowrobot arms to be more dexterous and autonomous. Preliminary works are proposedfor extending this framework to perform tasks that involve multicontact control withmultifingered robot hands.

Que cela soit par des automates puis par des robots, l'Homme a été fasciné par des machines pouvant exécuter des tâches pour lui, dans de nombreux domaines, comme l'industrie ou les services : c'est ce dernier domaine qui nous sert de contexte. Ainsi, nous avons utilisé une approche développementale, où le robot se doit d'apprendre de nouvelles tâches au cours de sa vie. Inspiré par des théories sur le développement de l'enfant, nous avons extrait les concepts intéressants pour les implémenter sur une plateforme robotique humanoïde : l'iCub. L'acquisition du langage est une première étape, où la capacité à classifier les mots, de classes ouvertes et de classes fermées permet d'obtenir une syntaxe qui aide l'enfant à construire le lien entre une phrase et son sens. Cette méthode a été implémentée grâce à un réseau de neurones récurrents, utilisant une base de données fournit par l'humain en interagissant avec le robot. La maîtrise du langage permet à l'enfant de participer à des actions plus complexes, en particulier des tâches collaboratives où la parole est requise de négocier le mode d'apprentissage sur plusieurs modalités. Implémenté sur l'iCub et le Nao, cela permet un apprentissage en temps réel et de réaliser un plan partagé. Enfin, nous avons étudié le fonctionnement de la mémoire autobiographique, cruciale pour se remémorer des épisodes passés de sa vie, d'en tirer des prédictions et de les appliquer dans le futur. En recréant cette mémoire en SQL et formatant les données en PDDL, l'iCub est alors capable de raisonner en fonction de sa propre expérience, lui permettant ainsi de résoudre le problème des Tours d'Hanoi sans jamais l'avoir visualisé avant / From automata to robots, the Human has always been fascinated by machines which could execute tasks for him, in several domains like industry or services. Indeed, we have used a developmental approach, where the robot has to learn new tasks during his life. Inspired by theories in child development, we have extracted the interesting concepts to implement them on a humanoid robotic platform : the iCub. Language acquisition is a first step, where the capacity to classify closed and opened class words allows to obtain a syntax which help the children to make the link between a sentence and its meaning. This method has been implemented with a recurrent neural network, using a database provided from the human by interaction with the robot. The control of the language allows the children to participate in more complex actions, in particular cooperative tasks, where speech is required to negotiate the learning mode within several modalities. Implemented on the iCub and the Nao, this allows a real-time learning and to realize a shared plan. Eventually, we have studied the functioning of the autobiographical memory, crucial toremember episodes of his life, to extract predictions from and to apply them in the future. By recreating this memory in SQL, and by formatting the data in PDDL, the iCub is then capable of reasoning in function of his own experience, allowing him to solve the Tower of Hanoi problem without knowing the solution before

Au cours des dernières années, la communauté robotique s'est largement intéressée au domaine de l'interaction homme-robot (HRI). Un des aspects de ce domaine est de faire agir les robots en présence de l'homme, tout en respectant sa sécurité ainsi que son confort. Pour atteindre cet objectif, un robot doit planifier ses actions tout en prenant explicitement en compte les humains afin d'adapter le plan à leurs positions, leurs capacités et leurs préférences. La première partie de cette thèse concerne les transferts d'objets entre humains et robots : où, quand et comment les effectuer? Dépendant des préférences de l'Homme, il est parfois préférable, ou pas, partager l'effort du transfert d'objet entre lui et le robot, mais encore, à certains moments, un seul transfert d'objet n'est pas suffisant pour atteindre l'objectif (amener l'objet à un agent cible), le robot doit alors planifier une séquence de transfert d'objet entre plusieurs agents afin d'arriver à ses fins. Quel que soit le cas, pendant le transfert d'objet, un certain nombre de signaux doivent être échangés par les deux protagonistes afin de réussir l'action. Un des signaux les plus utilisés est le regard. Lorsque le donneur tend le bras afin de transférer l'objet, il doit regarder successivement le receveur puis l'objet afin de faciliter le transfert. Le transfert d'objet peut être considéré comme une action de base dans un plan plus vaste, nous amenant à la seconde partie de cette thèse qui présente une formalization de ce type d'actions de base" et d'actions plus complexes utilisant des conditions, des espaces de recherche et des contraintes. Cette partie rend aussi compte du framework et des différents algorithmes utilisés pour résoudre et calculer ces actions en fonction de leur description. La dernière partie de la thèse montre comment ce framework peut s'adapter à un planificateur de plus haut niveau (un planificateur de tâches par exemple) et une méthode pour combiner la planification symbolique et géométrique. Le planificateur de tâches utilise des appels à des fonctions externes lui permettant de vérifier la faisabilité de la tâche courante, et en cas de succès, de récupérer l'état du monde fourni par le raisonneur géométrique et de l'utilisé afin de poursuivre la planification. Cette partie montre également différentes extensions de cette algorithme, tels que les \validation géométriques" où nous testons l'infaisabilité de plusieurs actions à la fois ou \les contraintes" où l'ajout de contraintes au niveau symbolique peut dirigée la recherche géométrique ou encore \recherche dirigé par coût" où le planificateur symbolique utilise les informations fournies par la partie géométrique afin d'éviter le calcul de plans moins intéressants. / In the last few years, the Human robot interaction (HRI) field has been in the spotlight of the robotics community. One aspect of this field is making robots act in the presence of humans, while keeping them safe and comfortable. In order to achieve this, a robot needs to plan its actions while explicitly taking into account the humans and adapt its plans to their whereabouts, capacities and preferences. The first part of this thesis is about human-robot handover: where, when and how to perform them? Depending on the human preferences, it may be better, or not, to share the handover effort between him and the robot, while in other cases, a unique handover might not be enough to achieve the goal (bringing the object to a target agent) and a sequence of handovers might be needed. In any case, during the handover, a number of cues should be used by both protagonists involved in one handover. One of the most used cue is the gaze. When the giver reaches out with his arm, he should look at the object, and when the motion is finished, he should look at the receiver's face to facilitate the transfer. The handover can be considered as a basic action in a bigger plan. The second part of this thesis reports about a formalization of these kind of basic actions" and more complex ones by the use of conditions, search spaces and restraints. It also reports about a framework and different algorithms used to solve and compute these actions based on their description. The last part of the thesis shows how the previously cited framework can fit in with a higher level planner (such as a task planner) and a method to combine a symbolic and geometric planner. The task planner uses external calls to the geometric planner to assess the feasibility of the current task, and in case of success, retrieve the state of the world provided by the geometric reasoner and use it to continue the planning. This part also shows different extensions enabling a faster search. Some of these extensions are \Geometric checks" where we test the infeasibility of multiple actions at once, \constraints" where adding constraints at the symbolic level can drive the geometric search, and \cost driven search" where the symbolic planner uses information form the geometric one to prune out over costly plans.

La planification HTN (Hierarchical Task Network, ou Réseau Hiérarchique de Tâches) est une approche très souvent utilisée pour produire des séquences de tâches servant à contrôler des systèmes intelligents. Cette thèse présente le planificateur HATP (Hierarchical Agent-base Task Planner, ou Planificateur Hiérarchique centré Agent) qui étend la planification HTN classique en enrichissant la représentation des domaines et leur sémantique afin d'être plus adaptées à la robotique, tout en offrant aussi une prise en compte des humains. Quand on souhaite générer un plan pour des robots tout en prenant en compte les humains, il apparaît que les problèmes sont complexes et fortement interdépendants. Afin de faire face à cette complexité, nous avons intégré à HATP un planificateur géométrique apte à déduire l'effet réel des actions sur l'environnement et ainsi permettre de considérer la visibilité et l'accessibilité des éléments. Cette thèse se concentre sur l'intégration de ces deux planificateurs de nature différente et étudie comment par leur combinaison ils permettent de résoudre de nouvelles classes de problèmes de planification pour la robotique. / Hierarchical Task Network (HTN) planning is a popular approach to build task plans to control intelligent systems. This thesis presents the HATP (Hierarchical Agent-based Task Planner) planning framework which extends the traditional HTN planning domain representation and semantics by making them more suitable for roboticists, and by offering human-awareness capabilities. When computing human-aware robot plans, it appears that the problems are very complex and highly intricate. To deal with this complexity we have integrated a geometric planner to reason about the actual impact of actions on the environment and allow to take into account the affordances (reachability, visibility). This thesis presents in detail this integration between two heterogeneous planning layers and explores how they can be combined to solve new classes of robotic planning problems

Cette thèse présente l’étude d’une stratégie de coordination hybride d’un groupe de robots sous-marins pour la recherche d’objets de petites dimensions ou de singularités sur les fonds marins. Chaque robot est équipé d’un module de perception utilisant la librairie de traitement d’image OpenCV qui lui permet d’apercevoir les autres éléments de la meute ainsi que l’environnement d’évolution de la mission.Cette stratégie hybride est constituée de deux phases : une phase de mise en formation géométrique et une phase d’acquisition des données vidéo. La première phase s’appuie sur des algorithmes de type "essaims" alors que la seconde se fonde sur une méthode hiérarchique de coordination. En cas de perte de la formation, le groupe de robots quitte le mode hiérarchique et reprend le mode essaim pour se reformer. Ces changements de modes sont contrôlés par une machine à états finis. Avant d’entamer une expérimentation en grandeur nature, la méthodologie et les algorithmes de coordination doivent être testés et validés par simulation.Dans ce contexte, un simulateur basé sur le logiciel Blender a été conçu de façon à ce qu’il tienne compte des différentes contraintes liées à l’évolution des robots dans l’environnement sous-marin. Les résultats de simulation d’une meute de 3 AUVs montrent la capacité de notre stratégie à optimiser l’exécution d’une mission d’acquisition vidéo par un groupe de robots autonomes contrôlés par la vision et coordonnés par une stratégie hybride. / In the underwater environment, the needs of data acquisition have significantly increased over the last decades. As electromagnetic waves show poor propagation in sea water, acoustical sensing is generally preferred. However, the emergence of small and low cost autonomous underwater vehicles (AUV) allow for rethinking the underwater use of optical sensors as their small coverage can be significantly improved by using a fleet of coordinated underwater robots.This paper presents a strategy to coordinate the group of robots in order to systematically survey the seabed to detect small objects or singularities. The proposed hybrid coordination strategy is defined by two main modes. The first mode relies on a swarm algorithm to organize the team in geometrical formation. In the second mode, the robot formation is maintained using a hierarchical coordination. A finite state machine controls the high level hybrid strategy by defining the appropriate coordination mode according to the evolution of the mission. Before sea validation, the behavior and the performance of the hybrid coordination strategy are first assessed in simulation. The control of individual robots relies on visual servoing, implemented with the OpenCV library, and the simulation tool is based on Blender software.The dynamics of the robots has been implemented in a realistic way in Blender by using the Bullet solver and the hydrodynamic coeficcients estimated on the actual robot. First results of the hybrid coordination strategy applied on a fleet of 3 AUV’s, show execution of a video acquisition task by a group of autonomous robots controlled by vision and coordinated by a hybrid strategy.

Les simulateurs d'accouchement sont des outils dédiés à la formation du personnel médical en gynécologie obstétrique. Le BirthSIM développé au laboratoire Ampère constitue une interface haptique de simulateur d'accouchement permettant de reproduire divers scénarios d'accouchement et de former les jeunes sages-femmes et obstétriciens aux différents gestes techniques nécessaires dans le cadre de leurs professions. Dans ce manuscrit, les récentes améliorations apportées au prototype du BirthSIM seront présentées. Parmi ces améliorations, deux sont particulièrement remarquables. La première concerne l'augmentation du nombre de degrés de liberté pilotés de l'interface. Ainsi, les travaux ayant permis le passage d'une interface ne comptant qu'un seul degré de liberté à quatre seront détaillés. Le BirthSIM est le seul simulateur d'accouchement qui intègre à la fois des actionneurs électriques et pneumatiques. La seconde évolution concerne le développement de lois de commande permettant d'améliorer le rendu haptique de l'interface. Les lois de commande retenues permettent d'asservir en position le BirthSIM, mais également de régler la raideur de l'interface. Ce réglage de raideur en coordonnées cartésiennes a pour objectif de reproduire le comportement de la tête fœtale en contact avec les tissus mous du bassin au cours d'une contraction. La loi de commande présentée dans ces travaux de thèse est une loi de commande non-linéaire synthétisée par backstepping. En effet, cette méthode permet de prendre en compte les phénomènes non-linéaires agissant sur le comportement des actionneurs pneumatiques. Cette commande, assurant le suivi d'une consigne de position et une modification de la raideur en temps réel à partir d'une stratégie de réglage de gain, a été testée à la fois en simulation et sur le prototype du BirthSIM. Les performances de cette commande sont également comparées à celles de lois de commande plus classiquement utilisées en robotique. / The childbirth simulators are developed for practitioner training in gynecology and obstetrics. The BirthSIM is a haptic interface which simulates various childbirth scenarios to teach obstetricians and midwives the technical delivery gestures. In this work, the latest improvements on the BirthSIM prototype will be presented. Two improvements are especially detailed. The first one consists in adding actuated degrees of freedom to the haptic interface. Thus, the works which have led to a new four degrees of freedom robot are presented. The BirthSIM is the only childbirth simulator which is actuated by electrical and pneumatic actuators. The aim of the second improvement is to synthesize control laws which improve the haptic rendering. The studied control laws allow the haptic interface to be controlled in position and its stiffness to be tuned in real time. This cartesian stiffness tuning is suitable to reproduce the behavior of the fetal head surrounded by the maternal pelvic muscles. The control law presented in this document have been obtained by the non-linear backstepping synthesis. Indeed, the non-linear phenomenons occurring in pneumatic cylinders can be taken into account by this method. The controller obtained in this work allows the BirthSIM end-effector to track a reference position but also allows the robot stiffness to be tuned in real time. The stiffness control is based on a gain tuning strategy. Finally, the performances have been evaluated in simulation and experimental tests. Those performances have also been compared to the other conventional compliant controllers of the robotic field.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer une approche efficace de modélisation et de résolution pour le problème d’ordonnancement, en mettant l’accent sur le partage multi-ressources et sur l’incertitude potentielle d’occurrence de certains événements. L'ordonnancement a pour objectif de réaliser un ensemble de tâches à la fois en respectant des contraintes prédéfinies et en optimisant le temps. Ce travail s’intéresse en particulier à la minimisation du temps total d’exécution. La plupart des approches existantes préconisent une modélisation mathématique exprimant des équations et des contraintes pour décrire et résoudre des problèmes d’ordonnancement. De telles démarches ont une complexité inhérente. Cependant dans l’industrie, la tâche de planification est récurrente et peut requérir des changements fréquents des contraintes. Outre cela, la prise en compte d’événements incertains est peu supportée par les approches existantes; cela peut toutefois augmenter la robustesse d’un ordonnancement. Pour répondre à ces problématiques, après une introduction, le chapitre 2 aborde le problème de l’ordonnancement à travers une démarche de modélisation visuelle, expressive et formelle, s’appuyant sur les automates pondérés et sur la théorie des automates temporisés. L’originalité des modèles proposés réside aussi dans leur capacité de décrire le partage de ressources multiples et proposer une approche de résolution efficace. Ces modèles ont l’avantage d’être directement exploitables par des outils de vérification formelle, à travers une démarche de preuve par contradiction vis-à-vis de l’existence d’une solution. Les résultats effectifs sont obtenus grâce à l’outil UPPAAL. La complexité inhérente à la production d’une solution optimale est abordée à travers un algorithme de recherche et d’amélioration itérative de solutions, offrant une complexité très prometteuse sur la classe de problèmes étudiés. Dans le chapitre 3, une composition synchrone est d’automates pondérés est proposée dans le but de résoudre le problème d’ordonnancement en effectuant une analyse d’atteignabilité optimale directement sur les modèles automates pondérés. Dans le quatrième chapitre, divers comportements incontrôlables tels que le temps de début, la durée de la tâche et l'occurrence d’échec dans un problème d‘ordonnancement sont modélisés par des automates de jeu temporisés. Ensuite, le problème est résolu en effectuant une synthèse de stratégie optimale dans le temps dans l'outil de synthèse TIGA. / The objective of scheduling problems is to find the optimal performing sequence for a set of tasks by respecting predefined constraints and optimizing a cost: time, energy, etc. Despite classical approaches, automata models are expressive and also robust against changes in the parameter setting and against changes in the problem specification. Besides, few studies have used formal verification approaches for addressing scheduling problems; yet none of them considered challenging and practical issues such as multi-resource sharing aspect, uncontrollable environment and reaching the optimal schedule in a reasonable time for industrializing the model. The main objective of this thesis is to propose an efficient modeling and solving approach for the scheduling problem, considering multi-resource sharing and potential uncertainty in occurrence of certain events. For this purpose, after an introduction in Chapter 1, Chapter 2 addresses the problem of scheduling through a visual, expressive and formal modeling approach, based on weighted automata and the theory of timed automata. The originality of the proposed approach lies in ability of handling the sharing of multiple resources and proposing an efficient solving approach. The proposed models have the advantage of being directly exploitable by means of formal verification tools. The results are obtained using the UPPAAL tool. To solve the problem, an algorithm is developed based on iterating reachability analysis to obtain sub-optimal makespan. Results show the proposed model and solving approach provides a very promising complexity on the class of studied problems and can be applied to industrial cases. In Chapter 3, a synchronous composition of weighted automata is proposed to solve the scheduling problem by performing an optimal reachability analysis directly on the weighted automata models. In the fourth chapter, various uncontrollable behaviors such as the start time, the duration of the task and the failure occurrence in a scheduling problem are modeled by timed game automata. Then, the problem is solved by performing an optimal strategy synthesis over time in TIGA as a synthesis tool.

Le véhicule autonome est un véhicule qui se conduira, à terme, sans aucune intervention du conducteur, quelle que soit la situation de conduite. Ce véhicule comprend une nouvelle fonction, nommée fonction AD, pour Autonomous Driving, en charge de la conduite autonome. Cette fonction peut se trouver dans des états différents (Active, Disponible par exemple) selon l'évolution des conditions environnementales. Le changement de ses états est géré par une fonction de Supervision, nommée Supervision AD. Le principal objet de ces travaux consiste à garantir que la fonction AD se trouve constamment dans un état sûr. Ceci revient à s'assurer que la Supervision AD respecte l'ensemble des exigences fonctionnelles et de sûreté qui spécifient son comportement. Ces deux types d'exigences sont émis par deux métiers distincts : l'Architecte Métier Système (AMS) et le pilote Sûreté de Fonctionnement (SdF). Ces deux disciplines d'ingénierie, bien qu'elles contribuent à la conception d'une même fonction, se distinguent en de nombreux points : objectifs, contraintes, planning, outils... Dans notre cas d'étude, ces différences s'illustrent par les exigences considérées : les exigences fonctionnelles sont allouées à la fonction AD globale, tandis que les exigences de sûreté spécifient le comportement de sous-fonctions locales redondantes assurant une continuité de service en cas de défaillance. La mise en cohérence de ces deux perspectives métier au plus tôt dans le cycle de conception et dans un contexte industriel, est la problématique centrale traitée. Les enjeux de SdF soulevés par le véhicule autonome rendent ce problème primordial pour les constructeurs automobiles. Afin de répondre à ces préoccupations, nous avons proposé une démarche outillée et collaborative de conception sûre de la Supervision AD. Cette démarche est intégrée dans les processus normatifs en vigueur (normes ISO 15288 et ISO 26262) ainsi que dans les processus de conception internes chez Renault. Elle est fondée sur la vérification formelle par model checking, la composition parallèle d'automates finis et l'expertise métier. Cette démarche prône l'utilisation d'un même formalisme (l'automate à états finis) par les deux métiers pour mener à bien des activités partageant un objectif de modélisation commun : la vérification d'exigences de comportement en phase amont de conception. Une méthode pour traduire les exigences en propriétés formelles et construire les modèles d'état a été déployée. Il en résulte une consolidation progressive des exigences traitées, initialement rédigées en langage naturel. Les potentielles ambigüités, incohérences et incomplétudes sont exhibées et traitées. / The Autonomous Vehicle is meant to drive itself, without any driver intervention, whatever the driving situation. This vehicle includes a new function, called AD, for Autonomous Driving, function. This function can be in different states (Available, Active for example) according to environmental conditions evolution. This states change is managed by a supervision function, named AD Supervision. The main goal of my works consists in guaranteeing that AD function remains always in a safe state. In other words, the AD Supervision must always respect all the functional and safety requirements that specify its behavior. These two requirements types are produced by two different professions: the System Architect (SA) and the Safety Engineer (SE). These two fields contribute to the design of the same function but distinguish at several aspects: objectives, constraints, planning, tools… In our case study, these differences are illustrated by considered requirements: the functional requirements are allocated to global AD function, while the safety requirements specify the behavior of local redundant sub-functions ensuring a continuous service in case of failure. The consistency of the two perspectives as early as possible in the design phase and in an industrial context, is the central problematic addressed. The safety issues due to Autonomous Vehicle make this topic essential for the automotive manufacturers. To meet these concerns, we proposed a tooled and collaborative approach for safe design of AD Supervision. This approach is integrated in the normative processes (standards ISO 26262 and ISO 15288) as well as in the internal design processes at Renault. It is based on formal verification by model checking, parallel composition of finite sate automata and technical expertise. This approach advocates the utilization of a same formalism (state automata) by the two professions to perform activities sharing a common goal: behavior requirements verification in preliminary design phase. A method to translate requirements into formal properties and to build state models has been deployed. The result is a progressive consolidation of treated requirements, initially expressed in free natural language. The potential ambiguities, inconsistencies and incompleteness are exhibited and treated. Two main contributions are in this way illustrated: highlighting of several formal credible (i.e. validated by expertise) specifications from informal requirements; and precise definition of technical expertise role (milestones, planning). However, this reinforcement – in silos – of the two profession viewpoints does not guarantee that they are mutually consistent. Thus, we proposed a convergence method, relying on expertise and on parallel composition of state automata, for the comparison of local and global views.