La synthèse de lois de commande efficaces apparaît comme un enjeu important dans la réalisation autonome de tâches de navigation robotiques. Ce problème peut être abordé par différentes approches. L'une d'entre elles, la commande référencée capteur, permet de définir les boucles de commande directement à partir des mesures sensorielles au lieu de les exprimer en fonction de l'état du robot. Dans ce contexte, du fait de la richesse du signal vidéo, la vision apparaît comme un capteur privilégié pour la réalisation de tâches très variées de manière précise. Cependant, la commande référencée vision reposant sur la seule régulation des indices visuels dans l'image s'avère mal adaptée pour réaliser des tâches de navigation complexes dans des environnements encombrés d'obstacles. En effet, dans ce cas, il est nécessaire de garantir d'une part la sécurité du robot, et d'autre part la disponibilité permanente des indices visuels dans l'image. Ce sont précisément ces problèmes que nous avons voulu étudier dans le cadre de cette thèse. Notre contribution a consisté à définir des stratégies de commande référencées multi-capteurs pour un robot mobile réalisant une tâche référencée vision dans un environnement encombré d'obstacles susceptibles d'occulter le motif visuel. Nous avons tout d'abord proposé des lois de commandes permettant d'éviter à la fois les occultations et les collisions. Toutefois, les résultats obtenus ont montré que chercher à éviter simultanément ces deux phénomènes surcontraignait le mouvement du robot, limitant la gamme des missions réalisables. Nous avons alors développé une seconde approche consistant à tolérer temporairement la perte du signal visuel. Celle-ci repose sur l'exploitation de la réversibilité du lien vision/mouvement exprimé par le torseur d'interaction. Nous avons ainsi proposé dans un cadre général plusieurs méthodes (analytiques et numériques) de reconstruction du signal visuel lorsqu'il devient indisponible. Nous avons ensuite validé ch acune de ces méthodes dans le cas de la réalisation d'une tâche de navigation référencée vision dans un milieu encombré d'obstacles. Nous avons également montré l'intérêt de nos approches lorsque la caméra présente un défaut de fonctionnement pendant l'exécution d'une mission.

Une première approche du problème de la commande des robots mobiles repose sur la synthèse de lois de commande en boucle fermée sur l'état du robot. La mise en oeuvre de telles lois nécessite la localisation du robot par rapport à un repère fixe, étape coûteuse en temps calcul et source d'erreurs. L'utilisation de capteurs plus performants a permis l'émergence d'une nouvelle approche dans laquelle la tâche robotique est spécifiée dans l'espace capteur : la commande référencée capteur. Celle-ci consiste à définir des boucles de commande directement à partir des données sensorielles, sans avoir à relocaliser le robot. Dans ce contexte, la richesse du signal vidéo a permis le développement de l'asservissement visuel qui repose sur la régulation des indices visuels dans l'image. Toutefois, comme de nombreuses tâches robotiques ne peuvent être spécifiées seulement de cette manière, il apparaît nécessaire de considérer dans la commande des informations provenant de capteurs de nature différente. Les travaux menés dans cette thèse s'inscrivent dans cette problématique et visent à étendre les techniques d'asservissement visuel. Plus précisément nous nous sommes focalisés sur la commande d'un robot mobile équipé d'un télémètre laser et d'une caméra. Notre contribution a consisté à élaborer un ensemble de stratégies de commande, en boucle fermée sur les informations visuelles et télémétriques, pour réaliser une tâche de navigation en milieu encombré. Nous proposons une analyse comparative des différentes méthodes, ainsi qu'une simulation des stratégies correspondantes. De plus, notre travail nous a conduit à définir la notion canonique de tâche élémentaire référencée multi-capteurs sur laquelle repose la navigation référencée capteurs. Ces résultats nous ont donc permis d'aborder le problème de l'enchaînement de tâches de nature différente, spécifiées en termes d'informations sensorielles, afin de réaliser une tâche complète de navigation dans un environnement structuré

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'assistance robotisée pour la chirurgie cardiaque à coeur battant. Une première contribution est la synthèse d'une nouvelle architecture d'asservissement visuel dans l'image en utilisant une commande prédictive non linéaire. Cette structure permet de respecter les contraintes du système en gérant simultanément la planification de trajectoire et le contrôle. La loi de commande a été validée sur une plate-forme robotique en vision standard. La structure a également été adaptée pour la vision échographique. Elle permet ainsi de contrôler les déplacements d'un outil en imposant que celui-ci respecte la contrainte d'intersection avec le plan échographique. Des expérimentations ont également permis de montrer l'efficacité de cette loi de commande. Cette seconde contribution s'intègre dans le cadre de l'assistance à la chirurgie cardiaque endovasculaire, et plus particulièrement la réparation de valve mitrale. Dans ce contexte, la localisation de la valve mitrale en temps réel est obtenue en utilisant une méthode qui repose sur la détection de la jonction entre la paroi et la valve et également d'un modèle à 2 ddl de la valve. L'algorithme proposé a été validé sur une séquence in vivo. Enfin, une estimation in vivo des déplacements 3D du coeur à partir des images endoscopiques a été proposée et représente une première étape d'un projet de compensation automatique des mouvements du coeur pour la chirurgie coronarienne.

Nous avons développé un oscillateur paramétrique optique simplement résonant (SRO) basé sur un cristal non linéaire de niobate de lithium dopé 5%-MgO et périodiquement polarisé (ppMgCLN). Il est pompé à 1064 nm par une diode laser en cavité étendue balayable continûment de 1050 à 1070 nm injectant un amplificateur Yb-fibré de puissance 10 W. Il génère une onde idler comprise entre 3 et 4 µm et une onde signal entre 1450 et 1650 nm. La cavité SRO est asservie sur le pic de transmission d'une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Nous avons alors pu démontrer un balayage mono-fréquence sans saut de mode de l'onde idler sur 500 GHz. Cette large accordabilité continue pourrait être utilisée pour la spectroscopie haute résolution multi-espèces dans le moyen infrarouge. Par ailleurs, nous avons revisité la théorie ondes planes du SRO, dont les solutions analytiques ont été données pour la première fois en 1969 par Kreuzer sous la forme d'une équation transcendante, en utilisant une méthode perturbative très puissante qui tient compte de la déplétion de la pompe. Nous avons pu ainsi déterminer les relations d'entrée-sortie du SRO sous la forme de relations explicites très simples, montrant que les puissances de sortie sont proportionnelles à la racine cubique de la puissance pompe.

La qualité du sommeil des patients en soins intensifs est mauvaise, avec une fragmentation du sommeil, une diminution de la phase de sommeil paradoxal et une redistribution des temps de sommeil durant la période diurne. Si le bruit semble une cause évidente, il ne rendrait compte que de 20% des perturbations du sommeil dans ce contexte (Freedman et al. 1999; Gabor et al. 2003). La ventilation mécanique apparaît comme une autre source d'altération de la qualité et de la quantité de sommeil chez les patients en soins intensifs (Meza et al. 1998; Cooper et al. 2000; Parthasarathy et Tobin, 2004;). Le sommeil est en effet affecté par l'asynchronisme fréquent entre le patient et le ventilateur (Parthasarathy and Tobin, 2002; Cabello et al. 2007). La meilleure adéquation de la machine avec une réponse rapide du ventilateur aux demandes du patient, obtenue à l'aide de la modalité ventilatoire NAVA (Neurally Adjusted Ventilatory Assist) est, à cet égard, importante. Dans cette étude, quatorze patients ont été ventilés successivement et dans un ordre aléatoire par le mode NAVA ou un mode classique en ventilation pression de support (PS), et leur sommeil évalué par polysomnographie. La proportion de sommeil paradoxal par rapport à la durée totale de sommeil est différente selon la modalité ventilatoire : la médiane de pourcentage de sommeil paradoxal (sommeil REM) est de 4,5% (3-11%) en mode PS contre 16,5% (13-29%) au cours d'une ventilation par NAVA (p=0,001). L'indice de fragmentation est plus faible en mode NAVA avec 16 ± 9 éveils ou microéveils par heure contre 40 ± 20 au cours d'une ventilation PS (p=0,001). Selon le mode ventilatoire, il y a de grandes différences dans les efforts inefficaces (24 événements par heure de sommeil en PS, et 0 durant les phases de ventilation en NAVA) ainsi que dans le nombre d'apnées centrales (10,5 événements par heure vs 0 respectivement en PS et en NAVA). Durant les périodes d'enregistrement des données, la ventilation minute était similaire entre les deux modes, témoignant d'une qualité équivalente de ventilation globale. En conclusion, comparativement au PS, le mode NAVA améliore la qualité du sommeil des malades de soins intensifs sevrés de la sédation, en augmentant la durée de la phase paradoxale du sommeil et en diminuant la fragmentation de leur sommeil.

Il y a aujourd'hui, d'après l'UNECE1 environ 770.000 robots opérationnels dont 24.000 en France. À ce jour, la plupart de ces robots sont des manipulateurs industriels dont l'autonomie est souvent réduite au stricte minimum. Ce manque d'autonomie est souvent due à l'absence de capteurs extéroceptifs sur les systèmes robotiques disponibles sur le marché. Ces capteurs sont cependant indispensables des lors que le robot évolue dans un environnement partiellement ou totalement inconnu. Dans ce contexte ces capteurs apportent aux systèmes robotiques les informations nécessaires pour appréhender l'environnement dans lequel ils évoluent. Dans le cadre de nos travaux nous avons uniquement considéré le cas des capteurs de vision qui fournissent au système une information riche mais dégénérée sous la forme d'une projection vers une image 2D de l'ensemble de l'environnement 3D perçu. L'un des points fondamentaux du cycle perception-action est la génération automatique des mouvements d'une ou plusieurs caméras. La création de carte 3D de l'environnement a longtemps été considérée comme un point de passage obligé pour la génération automatique des mouvements d'un robot autonome et de nombreux travaux se sont focalisés, souvent avec succès, sur ce sujet (e.g., [63]). Une façon élégante de raccourcir ce cycle en liant étroitement l'action à la mesure dans l'image est de générer les mouvements du système robotique en ayant recours au techniques d'asservissement visuel.

Dans ce manuscrit, nous nous intéressons au problème de la navigation d'un robot mobile par commande référencée multi-capteurs. Notre objectif est d'effectuer des tâches de navigation guidées par la vision dans des environnements d'intérieur structurés peu connus, possiblement évolutifs et où l'homme peut être présent. Les missions considérées pourront inclure de longs déplacements et consisteront à positionner le robot vis-à-vis d'un amer ou d'une personne d'intérêt. Leur position dans la scène étant inconnue, ils seront repérés par la vision. Afin de pouvoir réaliser de telles missions, différents problèmes doivent être traités : le mouvement vers le but, l'évitement d'obstacles, le traitement des occultations, la réalisation de longs déplacements. Si les trois premiers points ont un caractère intrinsèquement local, le dernier nécessite des compétences globales. Les travaux que nous avons menés cherchent à répondre à ces différents problèmes. Tout d'abord, nous nous sommes focalisés sur les aspects "locaux". Nous avons ainsi exploité l'asservissement visuel 2D pour réaliser la tâche de navigation nominale et permettre au robot de converger vers un amer ou une personne d'intérêt. Cependant, bien que cette technique présente de bonnes propriétés de robustesse, elle ne permet pas à elle seule de traiter efficacement les problèmes de collisions et d'occultations. Une de nos premières contributions a donc consisté en le développement de stratégies de commande garantissant la non collision en présence d'obstacles non occultants. Sur la base de ces résultats, nous nous sommes intéressés à la gestion des occultations et avons développé des algorithmes permettant de reconstruire les indices visuels lorsque ceux-ci sont indisponibles. Nous les avons ensuite couplés à nos stratégies de commande afin que le robot puisse évoluer à partir des indices visuels réels ou reconstruits selon le cas. L'association de ces différents techniques et algorithmes a permis de réaliser effica cement des tâches de navigation référencées vision en présence d'obstacles occultants et non occultants. Cependant, elle nécessite que l'amer ou la personne d'intérêt soit visible dès le début de la mission, ce qui n'est pas le cas lorsque l'on souhaite réaliser de longs déplacements. Nos dernières contributions sont donc focalisées sur ce problème. Afin de conférer au robot les compétences globales nécessaires, nous avons couplé une carte topologique représentant l'environnement à un algorithme de supervision gérant la stratégie de commande. Le robot est ainsi devenu capable d'effectuer de longs déplacements dans des scènes peu connues. L'ensemble de ces travaux a été validé en simulation et expérimentalement sur les différents robots à disposition. Les résultats obtenus montrent la pertinence de l'approche proposée et ouvrent des perspectives prometteuses dans et hors du contexte de la navigation.

La vision artificielle est un moyen de perception très apprécié en robotique. Les applications les plus courantes de la vision en robotique manipulatrice sont l'estimation de pose et la commande. D'un point de vue conceptuel, l'utilisation de la vision artificielle permet d'améliorer les performances de la commande des robots en termes de précision et de robustesse (vis-à-vis des erreurs sur les paramètres géométriques du robot). De plus, cette mesure est d'autant plus pertinente pour les robots parallèles puisque l'état de ces derniers est généralement mieux défini par la pose de l'effecteur que par les mesures articulaires, traditionnellement utilisées en commande. Cependant, les systèmes de vision classiques ne permettent pas de satisfaire les exigences des commandes hautes performances à cause de leur période d'acquisition et de leur temps de latence trop grands. Pour pallier ce problème, l'approche proposée dans cette thèse est de procéder à une acquisition séquentielle de fenêtres d'intérêt. En effet, le fait de ne transmettre que les régions de l'image contenant les primitives visuelles utiles a pour effet de diminuer la quantité de données à transmettre ce qui permet réduire la période d'acquisition et le temps de latence. De plus, l'acquisition non simultanée des primitives offre la possibilité d'estimer la pose et la vitesse du robot de façon conjointe. Différentes méthodes d'estimation et plusieurs schémas de commandes cinématiques et dynamiques utilisant ce mode d'acquisition ont ainsi été proposés dans ce document. Les résultats expérimentaux obtenus en commande dynamique par vision d'un robot parallèle montrent, pour la première fois, que la commande référencée vision peut être plus performante que la commande articulaire.

Le point de départ des travaux présentés dans cette thèse est la volonté de développement d'une aide robotisée à la saisie intuitive pour les personnes en situation de handicap. L'outil proposé est un manipulateur contrôlé en utilisant directement les informations transmises par deux caméras, l'une embarquée sur la pince qui donne une vue détaillée de la scène, et l'autre déportée qui en oﰛre une vue d'ensemble. L'objet de nos travaux est de saisir un objet a priori inconnu à partir d'un seul clic de l'utilisateur sur une image acquise par la caméra déportée. Nous proposons des méthodes permettant de localiser et de caractériser grossièrement un objet de forme convexe aﰜn qu'il puisse être saisi par la pince du manipulateur. Cette thèse peut être vue comme complémentaire aux méthodes existantes reposant sur l'utilisation de bases de données. Ce manuscrit est divisé en deux parties : la localisation grossière d'un objet inconnu et la caractérisation de sa forme. L'objet se situe sur la ligne de vue qui passe par le centre optique de la caméra déportée et le clic. La projection de cette ligne de vue dans la caméra embarquée est la ligne épipolaire associée aux clic. Nous proposons donc un asservissement visuel reposant sur l'utilisation de la géométrie épipolaire pour commander la caméra embarquée de façon à parcourir cette ligne. Les indices visuels extraits des images embarquées sont ensuite mis en correspondance avec les indices détectés au voisinage du clic pour estimer la position 3D de l'objet. Cette méthode est robuste à des mouvements relatifs de l'objet et de la caméra déportée au cours du processus de localisation. En ﰜn de processus, l'objet désigné se trouve dans le champ de vision des deux caméras et ces deux vues peuvent servir à initier une caractérisation plus précise de l'objet et suﰞsante pour la saisie. Le problème de la caractérisation de la forme de l'objet a été traité dans le cadre d'une observation monoculaire dynamique. La forme de l'objet est modélisée par une quadrique dont les paramètres sont estimés à partir de ses projections dans un ensemble d'images. Les contours de l'objet sont détectés par une méthode de contours actifs initialisés à partir de la localisation grossière de l'objet. La caractérisation de l'objet est d'autant plus précise que les vues utilisées pour l'estimer sont bien choisies. La dernière contribution de ce mémoire est une méthode de sélection par vision active des vues optimales pour la reconstruction. Les meilleures vues sont choisies en recherchant les positions de la caméra qui maximisent l'information.

Cette thèse propose des contributions très prometteuses au sujet du choix des primitives visuelles en asservissement visuel utilisant les moments 2D extraits de l'image. Nous avons proposé une nouvelle manière de résoudre un problème important en asservissement visuel, à savoir la commande du mouvement de rotation suivant les axes orthogonaux à l'axe optique. Ce travail représente une amélioration significative des travaux précédents en asservissement visuel basé sur l'utilisation des moments 2D extraits de l'image pour commander les degrés de liberté des robots manipulateurs. La commande la plus utilisée est connue sous le nom de commande cinématique. L'approche emploie un descripteur global d'image basé sur des moments 2D "shifted" dont les invariants calculés à partir de ces moments 2D "shifted" utilisent des moments d'ordre faible connus pour être robustes au bruit. De plus, ces invariants choisis ne dépendant pas de la forme de l'objet, sont invariants au mouvement de translation, de rotation et d'échelle. Cette nouvelle façon de faire vient ainsi résoudre les problèmes vus dans les travaux précédents relatifs aux choix des combinaisons des moments invariants basés sur les moments centrés et qui dépendent de la forme de l'objet considéré. Dans les travaux précédents, ces invariants sont calculés avec des moments dont l'ordre est compris entre trois et cinq qui sont vulnérables aux bruits de mesure. D'un point de vue asservissement visuel, le travail est basé sur la détermination explicite de la matrice d'interaction calculée à partir des moments 2D "shifted" dont le choix des paramètres de décalages respectent les propriétés d'invariances aux mouvements de translation, de rotation et d'échelle. En procédant ainsi, les informations visuelles choisies montrent la capacité de représenter les objets de formes symétriques et non symétriques. Des résultats de simulations sont présentés pour illustrer la validité de notre proposition.