Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de drones d'envergure inférieure à 15 cm, susceptibles de réaliser des missions d'observation ou d'intervention en milieu risqué. La possibilité de vol en présence d'obstacles ou en espace fermé nécessite une grande agilité à basse vitesse et des capacités de déplacement silencieux, pour lesquelles un concept à ailes battantes – inspiré du vol des insectes et du colibri – semble être le plus prometteur. Dans le cadre de cette thèse, nous avons donc développé un modèle de simulation de type mécanique du vol d'un tel engin, à partir de résultats antérieurs concernant l'aérodynamique du vol des insectes. Nous avons ensuite déterminé les cinématiques de battement optimales à l'aide d'algorithmes heuristiques, avant de chercher à commander en boucle fermée ce système non linéaire naturellement instable. Une technique inspirée du backstepping a permis d'obtenir de très bonnes performances, en statique comme en dynamique.

La turbulence atmosphérique perturbe la propagation de la lumière provenant d'objets astronomiques. Au foyer du télescope, on observe sur l'image obtenue une perte de résolution angulaire. L'optique adaptative permet de retrouver la résolution théorique du télescope. L'Optique Adaptative Multiconjuguée devrait de plus permettre d'élagir le champ isoplanétique en sortie du système. <br /><br />Dans le contexte des futurs systèmes d'Optique Adaptative (à haute dynamique ou à grand champ), la loi de commande du système doit être choisie de façon à optimiser les performances. Elle doit notamment permettre de minimiser l'erreur temporelle ou l'anisoplanétisme résiduel. Nous proposons une commande optimale au sens de la variance de phase résiduelle minimale pour l'Optique Adaptative Classique et l'Optique Adaptative Multiconjuguée. L'approche que nous présentons est basée sur une estimation de la phase turbulente par filtrage de Kalman suivie d'une commande par retour d'état, développés dans un formalisme d'état. Cette approche prend en compte les connaissances a priori disponibles sur le bruit de mesure, le profil de turbulence en altitude, la statistique de Kolmogorov ou encore la vitesse d'évolution de la turbulence. Nous quantifions le gain apporté par cette loi de commande vis-à-vis d'une approche traditionnelle par des simulations numériques en OA classique et multiconjuguée et nous discutons la robustesse des performances approche optimale.<br /> Nous présentons également une mise en place d'une validation expérimentale sur le banc BOA de l'Onera.

La contribution principale de ce travail de recherche est la proposition d'un modèle flou avec des fonctions d'appartenance dynamiques à paramètres ajustables en ligne, par un algorithme basé sur l'Apprentissage par Renforcement (AR). L'approche présentée prend en compte la dynamique des variables du système en introduisant, dans les fonctions d'appartenance d'un modèle flou, la valeur moyenne et la variance des variables d'entrée et de sortie du modèle au temps t. De cette manière, les ensembles flous se déplacent sur le domaine de discours des variables, en fonction des valeurs de la moyenne et de la variance échantillonnées ;ainsi, la possibilité d'obtenir des ensembles flous disjoints peut être minimisée. La propriété dynamique du modèle flou proposé est un atout pour résoudre les problèmes de commande de systèmes variant avec le temps, par exemple. Des exemples d'identification de fonctions non-linéaires, variant avec le temps, illustrent la capacité du modèle flou adaptatif dynamique pour l'identification des systèmes. Une application à la commande prédictive a été développée, en utilisant le modèle flou proposé comme modèle de prédiction et l'AR pour résoudre le problème d'optimisation de ce type de schéma de commande. Finalement, l'utilisation de l'information contenue dans les fonctions d'appartenance dynamiques du modèle flou à des niveaux supérieurs de supervision et diagnostic, a été aussi discutée comme perspective intéressante d'application de ce type de modèles.

Le thème de ce travail de recherche concerne la commande des systèmes non linéaires et s'applique à la conduite des mouvements au sol des avions de transport. Un modèle de la dynamique des mouvements de l'avion au sol a été élaboré et validé par comparaison avec des données réelles. Une architecture globale des systèmes de pilotage au sol des avions de transport a été proposé et a conduit à la synthèse de lois de pilotage et de guidage en manuel et en automatique concernant les mouvements longitudinaux et latéraux de l'avion au sol. La phase de roulage à l'atterrissage a été plus particulièrement étudiée. De plus, cette thèse a été l'occasion de mettre en ¿uvre la technique de synthèse de lois de commande par inversion de la dynamique ainsi que les techniques neuronales pour la génération de trajectoires de consigne. Les validations par des simulations non linéaires et par des essais en vol confirment les performances des lois de commande proposées et la viabilité des architectures fonctionnelles associées.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le contexte de la supervision des ateliers flexibles de production manufacturière. Il traite plus particulièrement de l'intégration de la surveillance temps réel des défaillances du procédé. L'approche se distingue en considérant la commande et la surveillance sur un même plan et non la surveillance comme un palliatif à la commande. Une structure d'un module de surveillance-commande est proposée. Le module est constitué de deux modèles coopérants basés sur le concept d'activités : l'un, appelé modèle de référence pour la surveillance-commande, modélise toutes les fonctionnalités mises en ¿uvre par le système de surveillance, l'autre, appelé modèle de la stratégie de surveillance-commande, modélise les contraintes imposées par les objectifs propres de l'entreprise et des utilisateurs. L'exécution d'un traitement de surveillance (séquence d'activités) n'est pas limitée au strict enchaînement des fonctions détection, diagnostic, décision puis reprise. D'autres séquences mettant en ¿uvre des activités de surveillance-commande plus élaborées (par exemple, activation de plusieurs fonctions de surveillance-commande du module simultanément) sont autorisées et réalisables par le module. En fonction des activités en cours d'exécution, un superviseur implanté dans chacun des modules gère l'ensemble des informations qui transitent par le module en les orientant vers la ou les fonctions de surveillance-commande aptes à les prendre en compte : détection, diagnostic, décision, reprise, urgence, suivi, commande. Un exemple d'application basé sur un processus manufacturier réel, la cellule flexible de l'Ecole Nationale d'Ingénieur de Tarbes (ENIT), illustre les apports de notre approche. Ils se traduisent en terme de flexibilité de surveillance, de réactivité aux diverses évolutions du procédé, de prise en compte et de respect des contraintes imposées par l'entreprise d'un point de vue surveillance.

Le développement de la biologie cellulaire nécessite la mise en place de moyens de micromanipulation de cellules en laboratoire. Les cellules biologiques étant de taille microscopique, l'étude de leur manipulation relève de la microrobotique et plus particulièrement de la micromanipulation. Les travaux de thèse présentés ici ont abouti à la mise au point d'un dispositif permettant de pousser des cellules contenues dans un milieu aqueux sur une lamelle de verre. Le pousseur de cellules est un élément ferromagnétique microscopique qui suit le déplacement d'un aimant permanent situé sous la lamelle de verre. Les pousseurs utilisés sont construits à base de nickel électroformé et possèdent des tailles allant de 10x10x5 µm à 400x400x20 µm. Cette thèse présente un modèle complet de la transmission de mouvement de l'aimant vers le pousseur. La poussée d'un objet peut s'effectuer de deux façons différentes : soit en faisant tourner le pousseur autour de son point de contact (rotation), soit en déplaçant le pousseur en translation. La rotation permet de déplacer un objet avec une précision inférieure à 1 µm sur une course réduite, alors que la translation permet de déplacer un objet avec une précision de l'ordre de 5 à 20 microns sur une course infinie. Nous proposons dans cette thèse une commande micro-macro spécifique permettant de déplacer un objet avec une bonne précision sur une course infinie. Nous avons également construit un estimateur de l'effort appliqué par le pousseur sur l'objet manipulé. Cet estimateur est basé sur la mesure de la position relative du pousseur par rapport à l'aimant. Un grand nombre d'expérimentations ont été mises en place grâce à notre dispositif, dont la manipulation de billes de polystyrène de 50 microns de diamètre et la manipulation d'ovules de 150 microns de diamètre.

Ce travail porte sur le diagnostic et la commande tolérante aux défauts des systèmes linéaires stochastiques. Il se décompose en deux parties: - la première phase du travail présenté porte sur la conception d'un filtre de détection robuste. Il a été défini afin que le résidu directionnel qui en résulte soit le plus insensible possible aux incertitudes de modèle et aux incertitudes stochastiques. L'approche développée diffère des approches classiques existant dans la littérature car le filtre de détection est synthétisé sur la base d'une inversion du système. Une fois paramétrées toutes les inverses à gauche du système (pour remonter à la source des défauts) grâce à l'étude de la structure des zéros infinis du système, les degrés de liberté restant à disposition sont utilisés pour minimiser la sensibilité du résidu généré aux différentes perturbations stochastiques. Cette approche a permis de définir le filtrage d'état optimal d'une partie réduite du vecteur d'état du système de dimension maximale. En d'autres termes, l'effet des défauts sur l'erreur d'estimation d'état du filtre a été réduite à son maximum sous la contrainte que suffisamment d'informations restent disponibles pour les détecter et les localiser dans l'espace de sortie. - la deuxième partie concerne l'intégration du filtre de détection dans une commande tolérante aux défauts. La structure deadbeat de l'espace de détection du filtre est à la base de la conception de deux lois de commande tolérantes aux défauts à réactivité maximale. La première est basée sur le filtre de détection à état augmenté et sur le principe de séparation bien connu dans le cadre LQG. La loi de commande a été obtenue par un rejet des modes non contrôlables. Cette approche a débouché sur une commande de type LTR (Left Transfer Recovery) obtenue par le calcul explicite de l'inverse à gauche du système. Tout comme la première approche, la deuxième loi de commande se fonde sur le filtre de détection mais se caractérise par la définition optimale d'une loi de commande additive. Son application à un benchmark défini dans le cadre du projet IFATIS (Intelligent Fault Tolerant Control in Integrated Systems) a permis de mettre en avant la forte réactivité de la commande face à l'apparition brutale d'un ou de plusieurs défauts sur le système. Il s'avère en effet que la commande mise en oeuvre permet d'annuler plus rapidement les effets néfastes engendrés par les défauts en comparaison d'une commande de type PI standard toujours plus lente à réagir.

Cette thèse est une étude de méthodes permettant d'estimer des fonctions valeur avec des réseaux de neurones feedforward dans l'apprentissage par renforcement. Elle traite plus particulièrement de problèmes en temps et en espace continus, tels que les tâches de contrôle moteur. Dans ce travail, l'algorithme TD(lambda) continu est perfectionné pour traiter des situations avec des états et des commandes discontinus, et l'algorithme vario-eta est proposé pour effectuer la descente de gradient de manière efficace. Les contributions essentielles de cette thèse sont des succès expérimentaux qui indiquent clairement le potentiel des réseaux de neurones feedforward pour estimer des fonctions valeur en dimension élevée. Les approximateurs de fonctions linéaires sont souvent préférés dans l'apprentissage par renforcement, mais l'estimation de fonctions valeur dans les travaux précédents se limite à des systèmes mécaniques avec très peu de degrés de liberté. La méthode présentée dans cette thèse a été appliquée avec succès sur une tâche originale d'apprentissage de la natation par un robot articulé simulé, avec 4 variables de commande et 12 variables d'état indépendantes, ce qui est sensiblement plus complexe que les problèmes qui ont été résolus avec des approximateurs de fonction linéaires.

La chirurgie minimalement invasive est aujourd'hui une thématique de recherche particulièrement active. Un traitement thérapeutique ciblé et la possibilité d'établir un diagnostic précis grâce à l'utilisation de systèmes miniaturisés peuvent considérablement améliorer de nombreuses pratiques médicales. Le recours à des microrobots actionnés à distance et naviguant dans le système cardiovasculaire ouvre de nouvelles perspectives. L'objectif de cette thèse est de proposer un socle théorique solide concernant i) la modélisation d'un microrobot naviguant dans le système cardiovasculaire, ii) l'élaboration de lois de commande et d'observateurs assurant un bon suivi de trajectoire depuis la zone d'injection jusqu'à une zone cible. La modélisation du système fait intervenir de nombreuses forces : forces hydrodynamiques, forces surfaciques (électrostatique, van der Waals, stériques), forces de contact et poids apparent du microrobot. Ce microrobot est contrôlé dans le système cardiovasculaire par l'application de champs ou de gradients de champ magnétique selon le design du microrobot. La prise en compte de l'ensemble des forces aboutit à une représentation d'état sous la forme d'un système non-linéaire affine en la commande avec dérive comportant de nombreux paramètres physiologiques incertains. Une trajectoire de référence optimisée est déduite du modèle. L'approche de commande adoptée est établie à partir de critères de stabilité du système. Le système étant non-linéaire, une commande de type Lyapunov stabilisante est développée suivant une approche de type backstepping. L'estimation de certains paramètres physiologiques est rendue possible par une commande de type backstepping adaptatif. Un observateur grand gain reconstruit l'état complet du système nécessaire au calcul de la commande. La stabilité et la robustesse de l'ensemble sont établies au travers de nombreuses simulations en présence de bruits de mesure et d'erreurs paramétriques.

Pour résoudre les problèmes lies au trafic important dans les métropoles, de nouvelles alternatives, appelées "Urban Transportation Systems", voient le jour. Celles-ci sont basées sur des véhicules électriques en libre accès. Une fonctionnalité nécessaire de ces systèmes est leur capacité a' se déplacer en convoi. Dans ce manuscrit de thèse, le travail présenté traite de la commande d'un convoi de véhicules urbains. Dans ce mémoire, une modélisation cinématique de type tricycle est adoptée pour représenter le robot mobile. La transformation en système chaîné de ce modèle permet de découpler les commandes latérale et longitudinale. La commande latérale basée sur des techniques de linéarisation exacte, permet d'assurer un suivi de trajectoire avec une tr'es haute précision (puisque les non-linearites du modèle ne sont pas approximées mais au contraire, explicitement prises en compte), indépendamment de la vitesse du robot. La loi de commande longitudinale, basée également sur des techniques de linéarisation exacte, suit une stratégie de commande globale : l''état du convoi est pris en compte, et non pas seulement l'état du véhicule situe immédiatement devant. En fait, le comportement du convoi est étudié à travers les états du leader et du véhicule précédent. L'écart inter-vehicules a réguler est choisi égal à la distance curviligne parcourue le long d'un chemin de référence, ce qui permet d'assurer un comportement cohérent du convoi, y compris lors du suivi de trajectoires a' forte courbure. Afin de prodiguer un confort suffisant aux passagers et d'assurer un fonctionnement en toute sécurité, des fonctions de supervision sont greffées aux lois de commande nominales, d'écrites ci-dessus. Ce module de supervision, nomme "Monitoring", gère également l'insertion ou la désinsertion de véhicules au sein du convoi. Des expérimentations, portées sur des voitures urbaines réelles, nommées Cycabs, permettent de valider les performances de la commande. Pour cela, les véhicules sont équipes d'une communication sans fil de type WiFi. Deux modalités capteurs ont 'et'e envisagées pour localiser les véhicules : principalement un capteur RTK-GPS (Real Time Kinematic Global Positioning System), mais également un système de vision monoculaire.