Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [183]-186. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.A.)-- Université du Québec à Chicoutimi, 2002. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Th. doct.-ing.--génie électrique--Toulouse--I.N.P., 1982. N°: 187.

La manipulation robotique d'une sonde échographique a été un important sujet de recherche depuis plusieurs années. Plus particulièrement, des méthodes d'asservissement visuel guidé par échographie ont été développées pour accomplir différentes tâches, telles que la compensation de mouvement, le maintien de la visibilité d'une structure pendant la téléopération, ou le suivi d'un instrument chirurgical. Cependant, en raison de la nature des images échographiques, garantir une bonne qualité d'image durant l'acquisition est un problème difficile, qui a jusqu'ici été très peu abordé. Cette thèse traite du contrôle de la qualité des images échographiques acquises par une sonde robotisée. La qualité du signal acoustique au sein de l'image est représentée par une carte de confiance, qui est ensuite utilisée comme signal d'entrée d'une loi de commande permettant d'optimiser le positionnement de la sonde échographique. Une commande hybride est également proposée pour optimiser la fenêtre acoustique pour une cible anatomique qui est détectée dans l'image. L'approche proposée est illustrée dans le cas d'un scénario de télé-échographie, où le contrôle de la sonde est partagé entre la machine et le téléopérateur. / The robotic guidance of an ultrasound probe has been extensively studied as a way to assist sonographers in performing an exam. In particular, ultrasound-based visual servoing methods have been developed to fulfill various tasks, such as compensating for physiological motion, maintaining the visibility of an anatomic target during teleoperation, or tracking a surgical instrument. However, due to the specific nature of ultrasound images, guaranteeing a good image quality during the procedure remains an unaddressed challenge. This thesis deals with the control of ultrasound image quality for a robot-held ultrasound probe. The ultrasound signal quality within the image is represented by a confidence map, which is used to design a servo control law for optimizing the placement of the ultrasound probe. A control fusion is also proposed to optimize the acoustic window for a specific anatomical target which is tracked in the ultrasound images. The method is illustrated in a teleoperation scenario, where the control is shared between the automatic controller and a human operator.

Ce mémoire porte sur la conception d'une interface utilisateur basée sur la reconnaissance de gestes pour la commande d'un capteur 3D tenu en main. L'interface proposée permet à l'opérateur d'un tel équipement de commander le logiciel à distance alors qu'il se déplace autour d'un objet à numériser sans devoir revenir auprès du poste de travail. À cet effet, un prototype fonctionnel est conçu au moyen d'une caméra Azure Kinect pointée vers l'utilisateur. Un corpus de gestes de la main est défini et reconnu au moyen d'algorithmes d'apprentissage automatique, et des métaphores d'interactions sont proposées pour la transformation rigide 3D d'un objet virtuel à l'écran. Ces composantes sont implantées dans un prototype fonctionnel compatible avec le logiciel VXelements de Creaform. / This thesis presents the development of a gesture-based user interface for the operation of handheld 3D scanning devices. This user interface allows the user to remotely engage with the software while walking around the target object. To this end, we develop a prototype using an Azure Kinect sensor pointed at the user. We propose a set of hand gestures and a machine learning-based approach to classification for triggering momentary actions in the software. Additionally, we define interaction metaphors for applying 3D rigid transformations to a virtual object on screen. We implement these components into a proof-of-concept application compatible with Creaform VXelements.

Les structures de commande prédictive (MPC) utilisant des simulateurs dynamiques comme modèles de procédé ne font pas légion. Cette rareté s'explique en grande partie par la difficulté de résolution des problèmes d'optimisation résultants. En effet, les algorithmes de programmation non linéaire ne sont pas toujours adaptés pour atteindre efficacement l'optimum des fonctions basées sur des modèles physiques, à plus forte raison encore si les équations utilisées sont inconnues (modèles de type boîte noire). C'est en s'appuyant sur ce constat qu'une nouvelle approche pour la MPC est proposée. Le principe consiste à substituer la minimisation explicite de la fonction objectif par une simulation du système en boucle fermée pour solutionner de façon généralement sous-optimale le problème de contrôle en boucle ouverte. Cette nouvelle méthode permet d'exploiter plusieurs des avantages de la commande prédictive sans être limitée par la complexité des modèles. Deux algorithmes sont présentés: décentralisé et découplé. Bien qu'avantageuse sur le plan du réglage, la structure découplée ne permet pas la même liberté que la structure décentralisée pour le choix de l'horizon de prédiction qui doit généralement être du même ordre de grandeur que le temps de réponse en boucle ouverte. Le développement d'une structure de simulation du comportement dynamique de la flottation en colonne, un procédé de séparation des minéraux, représente la seconde contribution de cette thèse. Une grande lacune des simulateurs proposés à ce jour demeure que même lorsque les équations différentielles de conservation sont utilisées, les variations dynamiques du niveau de pulpe ne sont jamais considérées. La structure présentée ici s'intéresse à la simulation des mouvements des phases présentes et de leurs effets sur le niveau de pulpe et sur les débits de sortie. Par ailleurs, comme bien d'autres procédés minéralurgiques, la flottation en colonne a peu bénéficié des avancées en contrôle de procédés. C'est donc sur ce terrain que les deux thèmes étudiés se rencontrent lors d'une mise à l'épreuve conjointe. L'étude de cas proposée s'intéresse à l'asservissement de trois variables d'opération critiques pour le bon fonctionnement du procédé à savoir, la concentration d'air dans la zone de pulpe, le flux net d'eau à l'interface et le niveau de pulpe à l'aide d'un contrôleur prédictif basé sur la simulation. / Applications of dynamic simulators for model predictive controllers design are rather scarce in the litterature. The complexity of solving the resulting optimization problems may explain this lack of popularity. In fact, nonlinear programming algorithms are not always well suited to efficiently reach the optimum of a fundamentaly-based cost function. The situation is even worse when the equations used in the model are unknown by the control designers (black box models). The simulation-based model predictive controller is an alternative formulation to perform model predictive control (MPC) without making use of any explicit optimization solver, but rather based on an easy-to-compute closed-loop simulation. The resulting scheme generally provides a sub-optimal solution and benefits from many interesting features of conventional MPC without being restricted by the model complexity. Two algorithms are proposed: decentralized and decoupled. The decentralized simulation structure allows a flexible setting of the prediction horizon (Hp) that is not possible in the decoupled case, easier to tune, but where Hp must generally be in the same order of magnitude that the system settling time. A second contribution of this thesis is the development of a framework for the dynamic simulation of a mineral separation process: column flotation. Until now, most of the proposed models or simulators were restricted to the steady-state behavior. When dynamic mass-balance equations were considered, a constant pulp level during the simulation was always assumed. The presented framework aims to simulate water, solids and gas motion and their effect on the pulp level and output flow rates. As it often happens in mineral processing, the column flotation process has not benefited from advanced control techniques. This is where the two previous subjects merge. The proposed simulation framework is used to design a simulation-based model predictive controller for process variables having a strong influence on metallurgical results (grade and recovery). A case study is presented where the pulp level, bias and air hold-up in the pulp zone are kept within an acceptable operating region.

Les procédés de combustion sont utilisés dans la plupart des industries chimiques, métallurgiques et manufacturières, pour produire de la vapeur (chaudières), pour sécher des solides ou les transformer dans des fours rotatifs (ou autres). Or, les combustibles fossiles qui les alimentent (ex. : gaz naturel) sont de plus en plus dispendieux, ce qui incite plusieurs compagnies à utiliser d’autres sources de combustibles tels que de la biomasse, des rejets inflammables produits par le procédé lui-même ou des combustibles fossiles de moindre qualité. Ces alternatives sont moins coûteuses, mais de composition, et donc de pouvoir calorifique, plus variable. De telles variations dans la chaleur dégagée par la combustion perturbent l’opération des procédés et la qualité des produits qui dépendent de ces installations. De nouvelles stratégies de contrôle de la combustion doivent donc être élaborées afin de tenir compte de cette nouvelle réalité. Il a été récemment démontré que l’énergie dégagée par la combustion est corrélée à l’aspect visuel de la flamme, principalement sa couleur, ce qui permet d’en quantifier les variations par imagerie numérique. L’objectif de ce projet industriel consiste à faire la démonstration que l’analyse d’images multivariées peut servir à l’identification du comportement d’une chaudière à biomasse. La chaudière à biomasse opérée par Irving Pulp & Paper Ltd (Saint-John, Nouveau-Brunswick) fera office d’exemple. Les résultats montrent qu’un modèle bâtit à partir des informations fournies par les images ainsi que les données de procédé donne de bonnes prédictions de la quantité de vapeur produite (R2modèle=93.6%, R2validation=70.1%) et ce, 2,5 minutes à l’avance. Ce projet est la première étape du développement d’une nouvelle stratégie de contrôle automatique de la combustion de biomasse, capable de stabiliser l’énergie dégagée, malgré les variations imprévisibles dans le pouvoir calorifique et les proportions des combustibles utilisés provenant de différentes sources. / Biomass is increasingly used in the process industry, particularly in utility boilers, as a low cost source of renewable, carbon neutral energy. It is, however, a solid fuel with some degree of moisture which feed rate and heat of combustion is often highly variable and difficult to control. Indeed, the variable bark properties such as its carbon content or its moisture content have an influence on heat released. Moreover, the uncertain and unsteady bark flow rate increases the level of difficulty for predicting heat released. The traditional 3-element boiler control strategy normally used needs to be improved to make sure the resulting heat released remains as steady as possible, thus leading to a more widespread use biomass as a combustible. It has been shown in the past that the flame digital images can be used to estimate the heat released by combustion processes. Therefore, this work investigates the use of Multivariate Image Analysis (MIA) of biomass combustion images for early detection of combustion disturbances. Applied to a bark boiler operated by Irving Pulp & Paper Ltd, it was shown to provide good predictions, 2.5 minutes in advance, of variations in steam flow rate (R2fit=93.6%, R2val=70.1%) when information extracted from images were combined with relevant process data. This project is the first step in the development of a new automatic control scheme for biomass boilers, which would have the ability to take proactive control actions before such disturbances in the manipulated variable (i.e. bark flow and bark properties) could affect steam production and steam header pressure.

De nos jours, la plate-forme de Gough-Stewart est utilisée couramment en industrie. L'inconvénient avec ce type de manipulateur, comme c'est le cas pour tous les manipulateurs parallèles, est que l'analyse de ses lieux de singularité est fastidieuse et n'est pas intuitive. Une expression scalaire décrivant ces lieux a déjà été développée, mais elle comporte 20 coefficients complexes, d'où l'intérêt de la récrire en conservant les termes sous forme vectorielle. Après quelques manipulations effectuées sur la matrice jacobienne, on obtient une expression plus compacte qui peut ensuite être utilisée dans des analyses par intervalles. Ces analyses permettent d'étudier les lieux de singularité pour un espace fini et confirment l'intérêt d'une expression vectorielle. De plus, les facteurs qui influencent la précision des résultats sont énoncés. Dans ce mémoire, l'architecture dite générale et celle de type MSSM sont étudiées afin de démontrer à quel point l'expression des lieux de singularité peut être simplifiée.

Les systèmes simples et les systèmes plus évolués tels que les robots aident l’être humain à accomplir plusieurs tâches depuis fort longtemps. Dans certains cas, le système en question remplace carrément l’humain alors que dans d’autres, le système agit en coopération avec celui-ci. Dans le dernier cas, le système représente plus un outil servant à augmenter les performances ou bien à éviter des tâches ingrates. L’avantage principal de cette augmentation humaine est de laisser à l’opérateur une certaine latitude dans le processus décisionnel de la tâche. Les forces propres aux humains et aux robots sont donc combinées afin d’obtenir une synergie, c’est-à-dire d’obtenir un meilleur système que la somme de ses composantes. Cependant, accomplir des tâches de coopération complexes de manière intuitives représente un défi de taille. Alors qu’auparavant les robots étaient isolés et donc conçus et programmés en conséquence, la nouvelle génération de robots doit être capable de comprendre son environnement et les intentions de l’humain, et d’y répondre adéquatement et de manière sécuritaire, intuitive, conviviale et ergonomique. Ceci apporte de nombreux débouchés dans différents domaines tels que la manutention, l’assemblage manufacturier, la réadaptation physique, la chirurgie, l’apprentissage via des simulations haptiques, l’aide aux personnes handicapées et bien d’autres. Cette thèse comporte trois parties. La première traite de la commande des robots d’interaction physique. L’approche pour parvenir à une commande intuitive, les bonnes pratiques, un algorithme d’interaction s’adaptant aux intentions de l’humain et l’adaptation d’une commande par couple pré-calculé à l’interaction humain-robot sont présentés. La deuxième partie traite de systèmes mains sur la charge qui sont plus intuitifs à utiliser pour l’opérateur. Le développement de ces systèmes comprend des innovations mécaniques et de commande avancées. La troisième partie traite finalement d’éléments de sécurité. Elle présente d’abord le développement d’un algorithme d’observation et de contrôle des vibrations et ensuite le développement d’un capteur détectant à distance la proximité humaine. Cette thèse se propose d’apporter plusieurs contributions, tant dans un esprit scientifique que pour des applications industrielles requérant des réponses immédiates. / For a long time, simple and advanced systems such as robots have been helping humans to accomplish several tasks. In some cases, the system simply replaces the operator while in other cases, the system cooperates with him/her. In the latter case, the system is more a tool used to increase performance or to avoid unpleasant tasks. The principal advantage of this human augmentation is to leave a certain latitude to the operator in the task decision process. Specific strengths of humans and robots are then combined to obtain a synergy, that is obtaining a more complete system than the sum of its parts. However, achieving complex tasks in a way that is intuitive to the human represents a huge challenge. While robots were previously segregated from humans and then designed and programmed accordingly, the new generation of robots must be able to perceive their environment and the human intentions and to respond to them safely, adequately, intuitively and ergonomically. This leads to several opportunities in a wide range of fields such as materials handling, assembly, physical rehabilitation, surgery, learning through haptic simulations, help to disabled people and others. This thesis comprises three parts. The first one deals with the control of physical interaction robots. The approach to an intuitive control, good practices, an interaction algorithm adapting to human intentions and the adaptation of a computed-torque control scheme for human-robot interaction are presented. The second part presents hands on payload systems which are more intuitive to use for the operator. These system developments include mechanical and advanced control innovations. The third part introduces safety features. First, the development of a vibration observer/controller algorithm is presented and then the development of a sensor detecting human proximity is reported. This thesis attempts to provide contributions, in a scientific spirit as much as for industrial applications requiring immediate solutions.

Ce mémoire porte sur la conception d'une interface utilisateur basée sur la reconnaissance de gestes pour la commande d'un capteur 3D tenu en main. L'interface proposée permet à l'opérateur d'un tel équipement de commander le logiciel à distance alors qu'il se déplace autour d'un objet à numériser sans devoir revenir auprès du poste de travail. À cet effet, un prototype fonctionnel est conçu au moyen d'une caméra Azure Kinect pointée vers l'utilisateur. Un corpus de gestes de la main est défini et reconnu au moyen d'algorithmes d'apprentissage automatique, et des métaphores d'interactions sont proposées pour la transformation rigide 3D d'un objet virtuel à l'écran. Ces composantes sont implantées dans un prototype fonctionnel compatible avec le logiciel VXelements de Creaform. / This thesis presents the development of a gesture-based user interface for the operation of handheld 3D scanning devices. This user interface allows the user to remotely engage with the software while walking around the target object. To this end, we develop a prototype using an Azure Kinect sensor pointed at the user. We propose a set of hand gestures and a machine learning-based approach to classification for triggering momentary actions in the software. Additionally, we define interaction metaphors for applying 3D rigid transformations to a virtual object on screen. We implement these components into a proof-of-concept application compatible with Creaform VXelements.