Les microrobots magnétiques, qui nagent en utilisant des modes de propulsion bio-inspirées, apparaissent très prometteurs pour la manipulation et la caractérisation d'objets à l'échelle microscopique dans des environnements confinés et très restreints, contrairement aux méthodes de micromanipulation classiques. La littérature propose une variété de microrobots avec des formes géométriques et des propriétés magnétiques différentes. Les commandes en mouvement proposées restent cependant simples, peu précises et insuffisamment robustes pour la réalisation de tâches réelles. De plus, il subsiste une incertitude sur le fait que tous ces micronageurs artificiels peuvent accomplir les mêmes tâches avec une performance égale. L'objectif de cette thèse consiste alors à proposer : des commandes de mouvement génériques par asservissement visuel dans l'espace pour tous les types de micronageurs avec des contraintes non holonomes afin d'améliorer les performances de ces micronageurs, un ensemble de critères de comparaison entre des robots avec une topologie ou un mode de propulsion différents pour le choix du micronageur le plus performant pour réaliser une tâche particulière. Des lois de commande de suivi de chemin dans l'espace sont synthétisées et validées expérimentalement sur des nageurs hélicoïdal et flexible sous différentes conditions. Ces robots évoluent dans un fluide à faible nombre de Reynolds, imitant respectivement le mécanisme de locomotion des bactéries et des spermatozoïdes et sont actionnés par un champ magnétique uniforme. Ces deux classes de nageurs possèdent une géométrie et un mode d'actionnement différents. Leurs performances sont ainsi comparées. / Magnetic microrobots, which swim using bio-inspired propulsion modes, appear very promising for manipulation and characterization of objects at microscopic scale inside confined and very restricted environments, unlike conventional micromanipulation methods. The literature proposes a variety of microrobots with different geometric shapes and magnetic properties. However, the motion controls proposed remain simple, imprecise and insufficiently robust for performing real tasks. In addition, there is still uncertainty that all these artificial microswimmers can accomplish the same tasks with equal performance. The objective of this thesis is thus to propose : generic motion controls by visual servoing in space for all kinds of microswimmers with nonholonomic constraints in order to improve the microswimmer performances, a set of comparison criteria between robots with a different topology or propulsion mode for choosing the most efficient microswimmer in order to perform a specific task. Path following control laws in space are synthesized and experimentally validated on helical and flexible swimmers under different conditions. These robots operate in low Reynolds number fluid, imitating respectively bacteria and spermatozoa and are actuated with uniform magnetic field. These two classes of swimmers have different actuation mode and geometric shape. Their performances are thus compared according to the task to be performed, the environment in which the robots evolve and the manufacturing constraints.

La microscopie électro-optique est une nouvelle technique de cartographie quantitative micrométrique des champs électriques et des composantes du tenseur électro-optique d'un milieu. Techniquement, il s'agit de mesurer le déphasage engendré par effet Pockels au moyen d'un microscope confocal inclus dans un interféromètre en détection homodyne. L'échantillon doit être transparent, non linéaire quadratique et soumis à un champ électrique, intrinsèque ou appliqué. Cette thèse présente tout d'abord une étude théorique de la microscopie électro-optique. On y décrit la réalisation pratique du microscope. Les résultats obtenus sur un premier échantillon en couche polymère sont ensuite étudiés et on présente la première mesure de déphasage par effet Pockels dans une membrane phospholipidique dopée. Les perspectives d'applications à des mesures de potentiels transmembranaires sont présentées. Les difficultés technologiques qui seront rencontrées sont détaillées et des solutions sont proposées.

L'intégration de nombreuses fonctions complexes dans les systèmes embarqués, tels que les téléphones portables, conduit à optimiser la consommation d'énergie pour maintenir l'autonomie de fonctionnement. Concernant la chaine de reproduction sonore, la consommation a été réduite par l'utilisation d'amplificateurs de classe D analogique, mais la nature numérique de la source audio impose encore un convertisseur numérique analogique en amont. La forte consommation de ce CAN et la qualité de reproduction sonore de l'amplificateur sont actuellement les principales limitations de cette approche. Ce travail de recherche, réalisé en quatre phases, a donc pour objectifs d'apporter des améliorations et de proposer de nouvelles architectures pour réduire ces limitations. Concernant l'amplificateur de classe D analogique, une boucle d'asservissement analogique basée sur un modulateur auto-oscillant à hystérésis a été développée pour réduire la consommation et augmenter sa qualité de reproduction. Cette étude a été validée par la réalisation d'un circuit en technologie CMOS 130 nm. La possibilité de piloter l'amplificateur de classe D directement par un signal de commande numérique a ensuite été envisagée. Le train d'impulsions nécessaire à la commande de l'étage de puissance est obtenu par modulation numérique de la source audio. L'utilisation en boucle ouverte de l'étage de puissance ne permet néanmoins pas d'obtenir un signal audio de sortie insensible aux variations de l'alimentation. Un asservissement analogique local autour de l'étage de puissance est donc nécessaire. La réalisation en technologie CMOS 130 nm de cette architecture a permis la validation des études effectuées (fonctionnement, stabilité, bande passante, modélisations des éléments non linéaires,...).

L' acoustique picoseconde permet l'étude de structures aux dimensions sub-microniques grâce à l'utilisation d'ultrasons dont le contenu spectral peut s' étendre au-delà du THz. La génération et la détection de ces ondes sont rendues possibles par l'association de lasers impulsionnels femtosecondes à dispositifs de type pompe-sonde. Ce manuscrit de thèse décrit la mise en place d'une expérience d' imagerie opto-acoustique avec une résolution spatiale submicronique. L' utilisation combinée d'un échantillonnage optique hétérodyne et de cavités lasers à bas taux de répétition (50 MHz) permet de gagner plusieurs ordres de grandeur sur les temps d'acquisition et de disposer d'une très bonne résolution spectrale. Le manuscrit s'articule autour de trois parties. Dans un premier temps les deux cavités laser aux taux de répértition légèrement différents permettant l'échantillonnage otpique hétérdodyne sont présentées. Puis l'architecture et les performances du système d'asservissement de leur taux de répétion sont décrites. Dans la seconde partie du manuscrit, l'implémentation de cette double cavité dans une expérience pompre-sonde est détaillée et la possibilité de détecter des ondes acoustiques sub-THz avec une résolution de 50 MHz est démontrée. Enfin, dans le dernier chapitre, la puissance de cette expérience pour réaliser de l'imagerie ultra-rapide est illustrée au travers de deux exemples : l'étude d'ondes acoustiques de surface GHz dont la dispersion est induite par la présence d'une couche nanométrique et la détection d'hétérogénéités élastiques submicroniques

La problématique étudiée est le contrôle non destructif par courants de Foucault de matériaux ferromagnétiques à l'aide d'un capteur à magnétorésistance géante (GMR). Durant ces travaux deux aspects complémentaires ont été abordés : l'un concerne la mesure expérimentale pour essayer de quantifier et de s'affranchir du bruit de structure et du champ magnétique rémanent, l'autre le développement d'un modèle numérique d'interaction. En ce qui concerne la partie expérimentale plusieurs études avec un capteur GMR qui présente un intérêt particulier en raison de sa bonne sensibilité à basses fréquences, de sa dynamique et de la relative simplicité de mise en œuvre ont été conduites et ont permis d'identifier et quantifier les phénomènes d'artefacts spécifiques aux matériaux ferromagnétiques : le bruit de structure et le champ magnétique rémanent. Une solution basée sur une combinaison linéaire des données expérimentales obtenues à plusieurs fréquences est appliquée pour atténuer le bruit dû à la structure du matériau. Le champ magnétique rémanent a été analysé expérimentalement et un circuit d'asservissement permettant de fixer un point de polarisation dans la zone de fonctionnement linéaire de la GMR et ainsi d'atténuer les perturbations dues aux champs magnétiques rémanents est mis en place. En parallèle et dans l'optique de développer des outils de simulation permettant de mieux comprendre les phénomènes physiques et ainsi d'optimiser les procédés de contrôle, un modèle numérique d'interaction simulant le cas du contrôle d'une pièce plane ferromagnétique d'une ou plusieurs couches pouvant contenir un ou plusieurs défauts est développé. Il étend un modèle déjà existant dans un cas non-ferromagnétique déjà intégré dans la plateforme de simulation CIVA développé par le CEA-LIST et permettant la simulation du Contrôle Non Destructif par Courants de Foucault. Il est basé sur une méthode d'intégrales de volume (VIM) et l'utilisation des tenseurs ou dyades de Green. La solution est obtenue après la discrétisation du volume de calcul et l'application d'une variante de Galerkin de la Méthode des Moments (MoM). La réponse de la sonde est ensuite calculée en appliquant le théorème de réciprocité de Lorentz. Des collaborations avec deux laboratoires universitaires (le Laboratoire de Génie Électrique de Paris (LGEP) et l'Université de Cassino (Italie)) ont permis de comparer les résultats issus des trois différents modèles sur un cas de la littérature. Les résultats se sont révélés satisfaisants et plusieurs études de convergence ont permis d'analyser la stabilité du modèle.

Cette thèse concerne la synthèse de lois commande référencées vision 2D, multi-critères, pour le positionnement, par rapport à une cible fixe ou mobile, d'une caméra orientable en lacet en mouvement dans le plan horizontal. La fréquence et la qualité des informations délivrées par les caméras CCD qui équipent aujourd'hui les robots rend en effet possible l'alimentation directe des boucles de commande à partir des mesures visuelles de l'environnement. Le modèle considéré est défini dans le cadre du formalisme des fonctions de tâches et s'appuie sur la notion de torseur d'interaction qui permet de relier le mouvement de la caméra à la variation des indices visuels. L'objectif de ce travail est de proposer des lois de commandes permettant de stabiliser la caméra sur la base des informations bidimensionnelles issues de l'image, en tenant compte de l'incertitude sur la profondeur des points de la cible, des contraintes de visibilité et des limites en amplitude sur la vitesse et l'accélération de la caméra. La méthode proposée met en oeuvre des techniques de commande avancées. Elle est basée sur la satisfaction d'une condition de secteur modifiée permettant de prendre en compte la saturation de l'accélération et la description du système en boucle fermée via un modèle polytopique des incertitudes. Cette approche permet de formuler des conditions constructives pouvant être exprimées sous forme d'Inégalités Linéaires Matricielles (LMIs). Sur cette base, la résolution de problèmes d'optimisation convexe permet d'une part de maximiser la région de stabilité associée et d'autre part de déterminer le gain stabilisant du correcteur. La technique, initialement appliquée au problème du positionnement de la caméra par rapport à une cible fixe, est ensuite étendue au suivi d'une cible mobile en considérant la vitesse inconnue de la cible comme une perturbation bornée en énergie. L'intérêt de ce type de résultat, pour l'élaboration de stratégies de navigation d'un robot mobile pa r enchaînement de tâches référencées capteurs, est ensuite mis en évidence. Plusieurs exemples d'enchaînement de tâches sont tour à tour considérés et simulés sur la base d'un modèle de robot à roues muni de capteurs de proximité et supportant une caméra montée sur une platine orientable en azimut.

La réalisation d'une source hyperfréquence à très haute pureté spectrale à base de résonateurs optiques représente un véritable enjeu. C'est dans cette approche que s'inscrivent les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit. L'oscillateur électro-optique a été développé à la fin des années 90 et a conduit à d'excellents résultats en termes de bruit de phase. Les dispositifs actuels utilisent une ligne à retard réalisée par une fibre optique. Les faibles pertes dans la ligne autorisent un retard important de l'onde optique modulée, équivalent dans le domaine hyperfréquence à un résonateur de coefficient de qualité de l'ordre de 106. Cependant, plusieurs problèmes se posent. Un des problèmes est celui des dimensions du système, et du contrôle de la stabilité en température de l'ensemble du dispositif. Il n'existe pas de solution simple, et la seule solution consiste à remplacer la ligne à retard fibrée par un résonateur optique à très fort coefficient de qualité. Plusieurs types de ces résonateurs optiques ont été étudiés : micro- ou mini-sphère de silice, et mini-disque monocristallin de Quartz. L'étude de ces résonateurs dédiés à la réalisation d'une source hyperfréquence à très haute pureté spectrale constitue par conséquent la problématique essentielle de ce travail de thèse. Pour effectuer une telle analyse, un protocole de mesure du facteur de qualité des différents types de résonateurs optiques dont nous disposions a été mis en place. Un nouveau type de résonateur a également été proposé pour ces applications : l'anneau fibré. Finalement, un premier oscillateur micro-onde à résonateur optique a été réalisé et caractérisé.

Un manipulateur cartésien dit " axe en gantry " peut être utilisé pour des applications requérant une dynamique élevée et une grande précision. Le type d'axe en gantry étudié dans ce mémoire consiste en un axe transversal porté par deux actionneurs linéaires balayant la direction longitudinale de l'espace de travail. Un troisième actionneur, monté sur le bras transversal, permet de déplacer la charge le long de la direction transversale de l'espace de travail. La problématique de ces systèmes réside dans la dégradation des performances de positionnement due au couplage mécanique existant entre les actionneurs et aux vibrations du bras transversal. La solution industrielle, consistant à minimiser les vibrations en rigidifiant (et en alourdissant) le bras transversal et à contrôler indépendamment les axes parallèles, mène à une consommation d'énergie importante qui ne sera plus acceptable à long terme. Un état de l'art sur la commande des axes en gantry met en évidence un manque d'analyse des phénomènes physiques responsables des couplages mécaniques et des vibrations du bras transversal. Ceux-ci sont en effet considérés comme des perturbations compensées par des méthodes mathématiques dérivées de l'automatique avancée. L'approche proposée dans ce mémoire se veut une alternative à ces méthodes. Elle est basée sur une modélisation physique détaillée de l'axe en gantry comprenant la flexibilité du bras transversal. Cette modélisation, associée à des méthodes d'identification expérimentale et de représentation causale, est exploitée afin de déduire des structures de commande et des méthodes de réglage adaptées. Des résultats expérimentaux montrent que cette méthodologie mène à une amélioration des performances de positionnement des axes en gantry par rapport à la commande industrielle et permet par exemple d'envisager l'allégement du bras transversal.

La problématique étudiée dans cette thèse concerne le maintien de l’intégrité de robots mobiles en milieux naturels. L’objectif est de fournir des lois de commande permettant de garantir l’intégrité d’un véhicule lors de déplacements autonomes en milieux naturels à vitesse élevée (5 à 7 m.s -1 ) et plus particulièrement dans le cadre de l’agriculture de précision. L’intégrité s’entend ici au sens large. En effet, l’asservissement des déplacements d’un robot mobile peut générer des consignes nuisant à son intégrité physique, ou à la réalisation de sa tâche (renversement, tête-à-queue, stabilité des commandes, maintien de la précision, etc.). De plus, le déplacement en milieux naturels amène des problématiques liées notamment à des conditions d’adhérence variables et relativement faibles (d’autant plus que la vitesse du véhicule est élevée), ce qui se traduit par de forts glissements des roues sur le sol, ou encore à des géométries de terrains non traversables par le robot. Aussi, cette thèse vise à déterminer en temps réel l’espace de stabilité en terme de commandes admissibles permettant de modérer les actions du robot. Après une présentation des modélisations existantes, et des observateurs permettant l’exploitation de ces modélisations pour la mise en place de loi de commande prédictive en braquage pour le suivi de trajectoire, une nouvelle méthode d’estimation des glissements basé sur une observation cinématique est proposée. Celle-ci permet de répondre aux problématiques de vitesse variable (et notamment du passage de la vitesse par des valeurs nulles) du véhicule et d’observation lors d’un déplacement sans trajectoire de référence. Ce nouvel observateur est primordial pour la suite des développements de cette thèse, puisque la suite des travaux s’intéresse à la modulation de la vitesse du véhicule. Ainsi, dans la suite des travaux, deux lois de commande prédictives agissant sur la vitesse du véhicule ont été mises en place. La première apporte une solution à la problématique de la saturation des actionneurs en braquage, lorsque la vitesse ou les glissements rendent la trajectoire à suivre inadmissible vis-à-vis des capacités physiques du véhicule. La deuxième répond à la problématique de la garantie de la précision du suivi de trajectoire (maintien du véhicule dans un couloir de déplacement). Dans les deux cas la stratégie de commande est similaire : on prédit l’état futur du véhicule en fonction de ses conditions d’évolution actuelle et de conditions d’évolutions futures simulées (obtenues grâce à la simulation de l’évolution d’un modèle dynamique du véhicule) afin de déterminer la valeur de la vitesse optimale pour que les variables cibles (dans un cas la valeur du braquage et dans l’autre l’écart à la trajectoire) respectent les conditions imposées (non-dépassement d’une valeur cible). Les résultats présentés dans ce mémoire ont été réalisés soit en simulations, soit en conditions réelles sur des plateformes robotiques. Il en découle que les algorithmes proposés permettent dans un cas de réduire la vitesse du véhicule pour éviter la saturation du braquage et donc les phénomènes de sur et sous virage qui en découlerait et donc permet de conserver la commandabilité du véhicule. Et dans l’autre cas de garantir que l’écart à la trajectoire reste sous une valeur cible. / This thesis focused on the issue of the preseving of the integrity of mobile robots in off-road conditions. The objective is to provide control laws to guarantee the integrity of a vehicle during autonomous displacements in natural environments at high speed (5 to 7 m.s -1 ) and more particularly in The framework of precision farming. Integrity is here understood in the broad sense. Indeed, control of the movements of a mobile robot can generate orders that affect its physical integrity, or restrains the achievement of its task (rollover, spin, control stability, maintaining accuracy , etc.). Moreover, displacement in natural environments leads to problems linked in particular to relatively variable and relatively low adhesion conditions (especially since the speed of the vehicle is high), which results in strong sliding of wheels on the ground, or to ground geometries that can not be crossed by the robot. This thesis aims to determine in real time the stability space in terms of permissible controls allowing to moderate the actions of the robot. After a presentation of the existing modelings and observers that allow the use of these modelizations for the implementation of predictive control law for trajectory tracking, a new method of estimation of side-slip angles based on a kinematic observation is proposed. It permit to address the problem of variable speed of the vehicle (and in particular the case of zero values) and also to allow the observation during a displacement without reference trajectory. This new observer is essential for the further development of this thesis, since the rest of the work is concerned with the modulation of the speed of the vehicle. So, in the further work, two predictive control laws acting on the speed of the vehicle have been set up. The first one provides a solution to the problem of the saturation of steering actuators, when the speed or side-slip angles make the trajectory inadmissible to follow with respect to the physical capacities of the vehicle. The second one adress the problem of guaranteeing the accuracy of trajectory tracking (keeping the vehicle in a corridor of displacement). In both cases, the control strategy is similar: the future state of the vehicle is predicted according to the current conditions of evolution and the simulated one for the future evolution (obtained by simulating the evolution of dynamics models of the vehicle) in order to determine the value of the optimum speed so that the target variables (in one case the value of the steering and in the other the lateral deviation from the trajectory) comply with the imposed conditions (not exceeding a target value). The results presented in this thesis were realized either in simulations or in real conditions on robotic platforms. It follows that the proposed algorithms make it possible : in one case to reduce the speed of the vehicle in order to avoid the saturation of the steering actuator and therefore the resulting over and under steering phenomena and thus make it possible to preserve the vehicle’s controllability. And in the other case, to ensure that the lateral deviation from the trajectory remains below a target value.

La navigation autonome des voitures robotisées est un domaine largement étudié avec plusieurs techniques et applications dans une démarche coopérative. Elle intègre du contrôle de bas niveau jusqu’à la navigation globale, en passant par la perception de l’environnement, localisation du robot, et autres aspects dans une approche référencée capteurs. Bien qu’il existe des travaux très avancés, ils présentent encore des problèmes et limitations liés aux capteurs utilisés et à l’environnement où la voiture est insérée.Ce travail aborde le problème de navigation des voitures robotisées en utilisant des capteurs à faible coût dans des milieux urbains. Dans cette thèse, nous avons traité le problème concernant le développement d’un système global de navigation autonome référencée capteur appliqué à un véhicule électrique intelligent, équipé avec des caméras et d’autres capteurs. La problématique traitée se décline en trois grands domaines de la navigation robotique : la perception de l’environnement, le contrôle de la navigation locale et la gestion de la navigation globale. Dans la perception de l’environnement, une approche de traitement d’image 2D et 3D a été proposé pour la segmentation de la route et des obstacles. Cette méthode est appliquée pour extraire aussi des caractéristiques visuelles, associées au milieu de la route, pour le contrôle de la navigation locale du véhicule. Avec les données perçues, une nouvelle méthode hybride de navigation référencée capteur et d’évitement d’obstacle a été appliquée pour le suivi de la route. Cette méthode est caractérisée par la validation d’une stratégie d’asservissement visuel (contrôleur délibératif) dans une nouvelle formulation de la méthode “fenêtre dynamique référencée image" (Dynamic Window Approach - DWA, en anglais) (contrôleur réactif). Pour assurer la navigation globale de la voiture, nous proposons l’association des données de cartes numériques afin de gérer la navigation locale dans les points critiques du chemin, comme les intersections de routes. Des essais dans les scénarios difficiles, avec une voiture expérimentale, et aussi en environnement simulé, montrent la viabilité de la méthode proposée. / Autonomous navigation of car-like robots is a large domain with several techniques and applications working in cooperation. It ranges from low-level control to global navigation, passing by environment perception, robot localization, and many others in asensor-based approach. Although there are very advanced works, they still presenting problems and limitations related to the environment where the car is inserted and the sensors used. This work addresses the navigation problem of car-like robots based on low cost sensors in urban environments. For this purpose, an intelligent electric vehicle was equipped with vision cameras and other sensors to be applied in three big areas of robot navigation : the Environment Perception, Local Navigation Control, and Global Navigation Management. In the environment perception, a 2D and 3D image processing approach was proposed to segment the road area and detect the obstacles. This segmentation approach also provides some image features to local navigation control.Based on the previous detected information, a hybrid control approach for vision based navigation with obstacle avoidance was applied to road lane following. It is composed by the validation of a Visual Servoing methodology (deliberative controller) in a new Image-based Dynamic Window Approach (reactive controller). To assure the car’s global navigation, we proposed the association of the data from digital maps in order tomanage the local navigation at critical points, like road intersections. Experiments in a challenging scenario with both simulated and real experimental car show the viabilityof the proposed methodology.