Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l’automatique, et a pour but de fournir des outils utiles à l’atterrissage en mer d’hélicoptères (sur navire ou plateforme) et employés dans le cadre d’un potentiel pilotage automatique. L’objectif a donc été de développer une série de lois de commande pilotées manuellement, puis commandées de façon autonome à l’aide d’informations caméra. Les lois ainsi développées à l’aide de modèles dynamiques d’hélicoptères, limitations mécaniques incluses, se basent sur les critères de Qualité de Vol issus de la norme ADS-33. L’ensemble a fait appel à une approche anti-windup pour améliorer la robustesse face aux situations d’actionneurs en saturation. Enfin les lois issues de ces travaux ont été testées en temps-réel sur le banc de pilotage d’hélicoptères de l’ONERA Salon-de-Provence. / This thesis is related to the automatic & control engineering field, and itsmain goal is to provide useful tools for ship landing missions, tools that can be used fora potential autopilot. The objective has been to develop a series of control laws manuallypiloted, then automatically controlled by visual servoing using identified image features. Thelaws developped thanks to helicopter models with mechanical limitations were based on flyingqualities criteria from the ADS-33 standard. The process also defines an anti-windup approachto cope with actuator saturations. Finally the main results were assessed in real time withthe ONERA rotorcraft flight test bench at ONERA Salon-de-Provence.

RésuméLa diffraction et la diffusion de rayons X sont utilisées dans de nombreux domaines de la physique, de la médecine et de la technologie. Des faisceaux de haute brillance sont néanmoins requis pour améliorer les performances de ces techniques. L’utilisation de la diffusion Compton d’un laser sur un faisceau d’électrons présente un grand intérêt pour la production de rayons X. Ce processus permet l’emploi d’un anneau de stockage d’électrons compacts et d’un résonateur optique pour accroître la puissance laser. Avec un tel système, un taux de collision laser-électron supérieur au méga Hertz est envisageable permettant d’atteindre un flux de rayons X de l’ordre de 10¹³ photons/s. Dans le premier chapitre, je décris les motivations pour le développement d’une source de rayons X basée sur la diffusion Compton et utilisant un résonateur optique. Je détermine aussi les performances que l’on peut attendre de ce type de sources ainsi que l’état de l’art actuel dans ce domaine. Dans le deuxième chapitre, je décris le comportement et les propriétés des résonateurs optiques en régime impulsionnel. J’introduis la notion de phase CEP (‘carrier envelope phase’) et je montre la nécessité de contrôler à la fois la fréquence de répétition de l’oscillateur laser et cette phase CEP. Le chapitre 3 est consacré aux oscillateurs fibrés à blocage de mode. Je montre les performances du laser que j’ai construit en utilisant le phénomène de rotation de polarisation non-linéaire.La méthode d’asservissement laser-résonateur optique ‘tilt locking’ est introduite au chapitre 4. Je décris tout d’abord les études de simulations et le montage expérimental qui ont permis de tester la méthode en régime impulsionnel. Je donne ensuite les résultats expérimentaux qui démontrent la faisabilité de la méthode ‘tilt locking’ en régime impulsionnel. J’effectue aussi une comparaison expérimentale des performances de la méthode ‘tilt locking’ avec la méthode classique ‘Pound-Drever-Hall’. Je termine le chapitre en indiquant une difficulté expérimentale de la méthode pour générer plusieurs signaux d’erreurs.Je décris la conception du système optique de la machine Compton TTX de l’université Tsinghua dans le chapitre 5. Les performances attendues pour cette machine sont des flux de rayons X compris entre 10¹º et 10¹³ photons/s. / X-ray diffraction and scattering, X-ray spectroscopy, and X-ray crystallography are widely used in the life sciences, material science, and medical diagnosis. High-quality and high-brightness X-rays are a strong requirement to improve applications. Inverse Compton scattering (ICS) X-ray source has attracted great interests worldwide lately. To significantly enhance the average X-ray photon flux, a compact electron storage-ring combined with a high finesse optical enhancement cavity (OEC) can be utilized. In such a system, the collision rate between the electron beam and the laser pulse is greatly increased to the MHz range, enabling a photon flux up to 10¹³ph/s.In the first chapter, I describe the motivation behind the development of OEC based on ICS X-ray source. The characteristics of this kind of X-ray source are summarized, compared to those of the conventional low-repetition-rate Terawatt laser system based on ICS X-ray source. The latest progress and research status of OEC based on ICS X-ray source are presented. Pulsed-laser injected high-finesse OEC stacking theory and properties are discussed in Chapter 2. Not only does the OEC based on ICS X-ray source require the laser pulse repetition rate to be matched to the free spectral range (FSR) of the cavity, where both also have to match the electron storage-ring circulation frequency. In addition, we have to match the phase shift of the laser repetition rate to the phase offset introduced by the dispersion of the cavity mirrors, since our cavity finesse design value is quite high. The stacking theory is analyzed in the frequency domain. Cavity properties, including cavity mirror dispersion, finesse, and FSR, are discussed in detail. A laser frequency comb and OEC coupling is analyzed also. The laser source development is presented in Chapter 3. We constructed a mode-locked fiber laser based on nonlinear polarization rotation. The locking model, locking techniques, and the theory, simulations and experimental tests of tilt locking (TL) in the pulsed laser injected high-finesse OEC are discussed in Chapter 4. We succeeded in locking a pulsed laser to a high-finesse cavity with the TL technique. The experimental results show that the TL and the Pound–Drever–Hall techniques have the same performance: stable locking, high sensitivity, and the same power coupling rate for picosecond laser pulse case, while the test results for full spectrum TL locking show that it is uneasy to align the split-photodiode to the beam waist.Based on the above experimental study and tests, we design the OEC system for Tsinghua University X-ray project in Chapter 5. The expected X-ray flux is 10¹º to 10¹³ ph/s. We detail every subsystem requirement.

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. / We developed a singly-resonant optical parametric oscillator (SRO) based on a nonlinear crystal of 5%-ppMgCLN congruent lithium niobate chip and pumped at 1064 nm by an extended cavity diode laser widely tuneable from 1050 to 1070 nm injecting a 10 W Yb-fiber amplifier. It generates an idler wave between 3 and 4 µm and a signal wave between 1450 and 1650 nm. The SRO cavity is stabilized to the top of a Fabry-Perot transmission fringe. We then demonstrated a mode-hop-free idler tuning range of 500 GHz. This broad continuous tunability could be used for multi-species high resolution spectroscopy in the mid-infrared. Moreover, we have revisited the plane waves SRO theory, whose analytical solutions were given for the first time in 1969 by Kreuzer in the form of a transcendental equation, using a very powerful perturbative method which takes into account the depletion of the pump. We were able to determine the input-output relations of SRO in the form of very simple explicit relationships, showing that the output powers are proportional to the cubic root of the pump power.

Cette thèse concerne principalement l'intégration des fonctionnalités d'un système de vision avec celles d'un système robotique. Cette intégration apporte beaucoup d'avantages pour l'interaction d'un robot avec son environnement. Dans un premier temps, nous nous intéressons aux aspects de modélisation. Deux sujets liés à cette modélisation ont été traités : <br /> i) le calibrage caméra/pince et <br /> ii) la localisation caméra/objet. <br /> Pour le premier, nous proposons une méthode de calibrage non linéaire qui s'avère robuste en présence des erreurs de mesure ; pour le second, nous proposons une méthode linéaire très rapide et bien adaptée aux applications temps-réel puisqu'elle est basée sur des approximations successives par une projection para-perspective.<br /> Dans un deuxième temps, nous nous intéressons au contrôle visuel de robots. Nous adaptons la méthode "commande référencée capteur" à une caméra indépendante du robot asservi. De plus, dans le cas d'un positionnement relatif, nous montrons que le calcul de la position de référence ne dépend pas de l'estimation explicite des paramètres intrinsèques et extrinsèques de la caméra. Pour une tâche donnée, le problème de la commande peut alors se traduire sous la forme d'une régulation d'une erreur dans l'image. Nous montrons que la localisation temps-réel caméra/robot améliore le comportement dynamique de l'asservissement. Cette méthode de contrôle a été expérimentée dans la réalisation de tâches de saisie avec un robot manipulateur à six degrés de liberté. Toutes les méthodes proposées sont validées avec des mesures réelles et simulées.

Dans cette thèse, nous développons un système d'asservissement visuel pour une caméra montée sur une tourelle commandable en pan et tilt et embarquée sur un drone. Ceci afin de réaliser des tâches telles que le suivi d'objets fixes et quelconques au sol quels que soient les mouvements du drone. Dans une première partie, un algorithme d'analyse d'image est proposé. Il est basé sur une estimation globale/locale permettant d'estimer la position de l'objet. Dans une seconde partie, une loi de commande classique fonctionnant avec une double boucle d'asservissement est proposée. Pour diminuer le temps de réponse du système, une nouvelle loi de commande sur-échantillonnée utilisant les résultats intermédiaires de l'analyse d'image est proposée. Nous nous intéressons aussi aux problèmes de non-linéarité du système et proposons une solution basée sur un contrôleur LQR. Des simulations et des expérimentations en conditions réelles montrent la validité de notre approche.

L'alimentation en composants est un problème majeur dans la conception des systèmes de production et plus particulièrement d'assemblage. Un système d'alimentation doit garantir la position et l'orientation des composants qu'il fournit au système d'assemblage, quelle que soit la taille des composants. En revanche, le niveau de précision sera généralement d'autant plus important que les composants sont petits. Nos travaux ont été réalisés dans le contexte de l'alimentation en composants de taille millimétrique à microscopique avec des objectifs de modularité et de haute précision de positionnement. La première contribution de la thèse a consisté à élaborer une stratégie pour l'alimentation de haute précision en composants millimétriques pour une architecture ouverte, flexible et standardisée, proposée par un projet européen EUPASS (Evolvable Ultra Precision ASembly System). Un système standard a ainsi été développé. Il est modulaire, reconfigurable pour différents types de minicomposants et permet leur maintien micrométrique. Sur la base de ces travaux, nous avons étendu notre étude aux systèmes de micro-assemblage (microusine). L'objectif était de déplacer dans un plan des micro-objets jusqu'à une position donnée. L'idée retenue se fonde sur l'utilisation des vibrations pour entraîner ces micro-objets par inertie. Il a donc été nécessaire de caractériser les interactions entre la surface du système d'alimentation et la surface du micro-objet. Pour cela nous avons élaboré une méthode pour évaluer directement la force concernée qui est la force de friction. Le contrôle des vibrations du système a ensuite été conçu. Le pas de déplacement d'un micro-objet en fonction de ses caractéristiques est alors maîtrisé. Enfin, une boucle d'asservissement permet de contrôler le déplacement des micro-objets jusqu'à une position consigne.

Dans cette thèse, nous utilisons les propriétés spectrales remarquables des cristaux dopés aux ions de terre rare pour effectuer des opérations de transformation de Fourier temps-fréquence. Nous présentons ainsi la première démonstration expérimentale de traitement cohérent de signaux radiofréquences (RF) sur une large bande. Notre système utilise une séquence d'excitation à base d'impulsions balayées en fréquence, dérivée du processus d'écho de photons. Par cet algorithme, le spectre du signal RF à analyser est projeté dans le temps. Expérimentalement, nous avons relevé d'excellentes performances dans un cristal de Er:YSO, utilisant une transition optique dans la fenêtre télécom. En effet, la bande passante instantanée atteint 1,5 GHz, avec 24 000 canaux spectraux d'analyse. La résolution peut quant à elle descendre à 50 kHz, et la dynamique d'analyse est de 32 dB. Ces résultats ont été obtenus grâce au développement spécifique d'une source laser, dont la fréquence peut être accordée sur plusieurs GHz en quelques µs. Une boucle d'asservissement permet d'offrir une excellente précision de ces balayages en fréquence. D'autres sources laser ont également été mises au point. L'une d'elle utilise des structures d'optique intégrée, et une autre est asservie sur une cavité optique de référence, pour affiner sa largeur d'émission sous le kHz. Par ailleurs, nous présentons une première étude d'échos de photons obtenus en milieu amplificateur dans un cristal de Er:YSO. Ainsi, le rendement énergétique du processus est augmenté. De nouveaux mécanismes déphasants hors équilibre sont également mis en avant lors de la génération de l'écho de photons.

Les températures que l'on peut atteindre par refroidissement laser sub-recul d'atomes libres ne sont limitées que par le temps d'interaction. Cette thèse présente dans sa première partie une théorie du refroidissement sub-recul qui utilise les vols de Lévy, qui est confirmée par simulations Monte-Carlo et appliquée à la méthode du refroidissement Raman. Ce travail montre l'importance de la forme des impulsions Raman et donne la première expression quantitative de la température la plus basse que l'on peut atteindre avec une bonne efficacité dans un temps donné. En particulier, de simples impulsions carrées sont plus efficaces pour le refroidissement unidimensionnel que les impulsions Blackman utilisées auparavant. De plus, nous montrons comment la théorie et les simulations permettent de déterminer les valeurs optimales des paramètres tels que durée et désaccord des impulsions.<br /><br />Ces résultats nouveaux sont appliqués dans une expérience de refroidissement Raman unidimensionnel utilisant des atomes de césium. Le dispositif, qui utilise uniquement des diodes laser, comprend un piège magnéto-optique en cellule et deux lasers verrouillés en phase avec une différence de fréquence de 9.19 GHz pour exciter la transition Raman. En utilisant des impulsions carrées, on obtient une température unidimensionnelle de 2.8 nK avec une hauteur du pic à vitesse nulle qui est 10 fois celle de la distribution initiale. Nous avons atteint des températures encore plus basses, jusqu'à 0.8 nK, avec un gain légèrement inférieur. Ces résultats représentent à notre connaissance les plus basses températures atteintes par refroidissement laser. A ces températures, la fonction d'onde atomique est délocalisée sur plus de 10 longueurs d'onde optiques.<br /><br />Les applications d'un tel ensemble atomique ultrafroid vont de l'observation d'oscillations de Bloch d'atomes dans un potentiel périodique lumineux jusqu'à l'amélioration des horloges atomiques. Le refroidissement sub-recul d'atomes piégés dans un potentiel lumineux constitue une voie prometteuse pour la production d'un gaz quantique dégénéré avec des techniques purement optiques.

Le travail de cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'utilisation de la vision pour la réalisation de tâches robotiques et concerne plus particulièrement les aspects de poursuite de cible par asservissement visuel. <br />Nous nous sommes intéressé au cas d'objets mobiles, et plus particulièrement à l'estimation du mouvement de ces objets, nécessaire pour une exécution satisfaisante des tâches de poursuite. La qualité de poursuite est en effet grandement améliorée grâce à une estimation robuste du mouvement. Pour réaliser l'estimation, nous proposons une approche nouvelle, basée sur l'aspect adaptatif du filtrage de Kalman. Contrairement au filtre classique de Kalman, ce filtre n'utilise aucun modèle ni connaissance a priori. La représentation d'état est adaptée en permanence en fonction des observations courantes pour représenter au mieux la dynamique du système. Il s'agit d'une approche modulaire à modèle multiple. Plusieurs filtres sont utilisés et la probabilité pour chacun de calculer l'estimation optimale est déterminée par apprentissage. Un réseau de neurones, sur cette base statistique, supervise l'ensemble des filtres et permet de compenser le caractère non stationnaire des mouvements de l'objet mobile. <br />Les informations visuelles estimées servent à contrôler les déplacements du robot. Des extensions de la carte auto-organisatrice de Kohonen à sorties supervisées servent à approximer la transformation sensori-motrice du système robot-vision. La relation apprise se trouve dès lors à l'origine de la loi de commande du robot. L'apprentissage est entièrement réalisé en contexte, en exploitant les corrélations sensori-motrices durant les mouvements des robots. <br />Les méthodes présentées dans cette thèse ont été validées en simulation et par des expérimentations réalisées sur une plate-forme robotique réelle.

Ce mémoire présente l'étude et la réalisation d'un lien optique performant assurant le transfert de la stabilité des références de fréquence disponibles sur le site de Besançon.<br />Dans ce cadre, nous avons développé et testé trois dispositifs d'asservissement qui permettent de corriger les fluctuations de phase des signaux qui transitent dans la fibre optique. Ces trois systèmes sont ensuite comparés en termes de performances, de stabilité et de leurs limitations respectives.<br />Une des applications concrètes de ce système, consiste à réaliser une horloge composite tirant profit des meilleures stabilités accessibles, utilisant un oscillateur à quartz synchronisé simultanément sur une horloge à césium et un maser à hydrogène. La méthode proposée est originale et est basée sur une boucle à verrouillage de fréquence (FLL).<br />Enfin, nous avons proposé une réalisation physique d'une échelle de temps en intégrant les données de BIPM dans notre algorithme.