Ces présents travaux de recherche portent sur le développement de nouveaux capteurs de déplacements à fibre optique monomode a modulation d'intensité causée par la présence de désalignements entre les fibres. À partir d'un fondement théorique rigoureux, des nouveaux principes de fonctionnement de capteurs sont développes. Des modèles analytiques d'efficacité de couplage optique entre faisceaux gaussiens sont utilisés. Un modèle basé sur une expression plus juste du mode de propagation fondamental de la fibre monomode et sur le phénomène de propagation d'un champ optique dans l'air libre est aussi développé à l'aide de la méthode de l'intégrale de recouvrement. Les performances expérimentales de deux capteurs sont évaluées et des directives de conception sont proposées. Ces capteurs sont caractérisés par un comportement linéaire, des possibilités de mesure multidimensionnelle, des performances adaptables a différentes applications et l'évitement des désavantages classiques des capteurs à modulation d'intensité. Une étude principalement théorique de quelques autres solutions est également réalisée. / The present research work relates to the development of novel fiber optic displacement sensors based on intensity modulation caused by the presence of misalignments between single-mode fibers. Starting from a rigorous theoretical base, working principles of new sensors are developed. Analytical models for the optical coupling efficiency of gaussian beams are used. A model based on a better expression of the fundamental propagation mode of single-mode fibers and on the optical field propagation phenomenon is developed using the overlap integral method. The experimental performances of two sensors are evaluated and design guidelines are proposed. These sensors are characterized by a linear behavior, possibilities of multidimensional measurement, adaptable performances to various applications and the avoidance of the classical drawbacks of intensity modulation based fiber optic sensors. A mainly theoretical study of other sensors is also achieved.

L’apprentissage manuel d’un mouvement à un robot est déjà chose faite de nos jours. Cependant, les équipements utilisés afin de détecter le mouvement souhaité sont actuellement des capteurs de force. Ceux-ci sont réputés pour être compacts et robustes, mais demandent d’appliquer une certaine force sur le robot avant qu’il se déplace ce qui donne l’impression qu’il y a un délai de réponse. L’objectif principal du projet de recherche consiste à développer un capteur de déplacement sous la forme d’un mini manipulateur parallèle passif pouvant être monté au poignet d’un robot sériel afin de le contrôler par déplacement. Le capteur servira d’interface dynamique pour la manipulation du robot par un humain. Le but est de rendre le contrôle le plus intuitif possible pour l’utilisateur. Le concept est de forme circulaire et est conçu pour être monté autour du poignet du robot de sorte que l’utilisateur a l’impression de déplacer directement le robot. Le résultat de ce projet permettra de faciliter le contrôle manuel d’un robot sériel et de le rendre plus intuitif. Ceci pourra être mis en application pour l’apprentissage de trajectoires à un robot ou encore pour faciliter le déplacement, non répétitif, de charges lourdes. / Teaching a prescribed trajectory to a robot manually is possible using current technology. However, to accomplish this, the robot needs to have load sensors. This type of sensor is robust and compact but creates a lag time caused by the time to apply the load on the sensor and the processing time. The main goal of this research project is to develop a displacement sensor. This sensor consists of a miniature passive parallel robot and is designed to be mounted on the wrist of a serial robot. The user will be able to move the parallel robot to control the serial one. The sensor will be used as a dynamic interface when manipulated by the user. Since the effector is circular and mounted around the wrist of the robot, the user will have the impression to directly control the robot. The goal of using this type of sensor is to give the user a more intuitive feeling and a minimum lag time. The prototype can be used to teach a prescribed trajectory to a robot or to move a heavy loads along non-repetitive paths.

Lorsque des robots travaillent en équipe, il est avantageux de permettre à ceux-ci de se localiser mutuellement pour faire, par exemple, de la navigation en formation. La résolution de la localisation relative est d'une importance particulière pour des équipes de robots aériens ou sous-marins lorsque ceux-ci opèrent dans des environnements dépourvus de points de repère. Ce problème se complexifie davantage lorsque le système de localisation permet seulement l'utilisation de caméras légères et bon marché. Cette étude présente une solution analytique au problème de localisation relative à six degrés de liberté basée sur des mesures d'angle. Cette solution est intégrée à des filtres probabilistes pour augmenter sa précision. En utilisant deux robots mutuellement observables possédant chacun deux marqueurs et une caméra colinéaires, nous pouvons retrouver les transformations qui expriment la pose du premier dans le référentiel du second. Notre technique se distingue du fait qu'elle nécessite uniquement la mesure de deux paires d'angles, au lieu d'un mélange de mesures d'angles et de distances. La précision des résultats est vérifiée par des simulations ainsi que par des expérimentations concrètes. Suite à des expérimentations à des distances variant entre 3:0 m et 15:0 m, nous montrons que la position relative est estimée avec moins de 0:5 % d'erreur et que l'erreur moyenne sur l'orientation relative est maintenue sous 2:2 deg. Une généralisation approximative est formulée et simulée pour le cas où la caméra de chaque robot n'est pas colinéaire avec les marqueurs de celui-ci. Au-delà de la précision des caméras, nous montrons qu'un filtre non parfumé de Kalman permet d'adoucir l'erreur sur les estimations de la position relative, et qu'un filtre étendu de Kalman basé sur les quaternions peut faire de même pour l'orientation relative. Cela rend notre solution particulièrement adaptée pour le déploiement de flottes de robots à six degrés de liberté comme des dirigeables. / When a team of robots have to collaborate, it is useful to allow them to localize each other in order to maintain flight formations, for example. The solution of cooperative localization is of particular importance to teams of aerial or underwater robots operating in areas devoid of landmarks. The problem becomes harder if the localization system must be low-cost and lightweight enough that only consumer-grade cameras can be used. This paper presents an analytical solution to the six degrees of freedom cooperative localization problem using bearing only measurements. Probabilistic filters are integrated to this solution to increase it's accuracy. Given two mutually observing robots, each one equipped with a camera and two markers, and given that they each take a picture at the same moment, we can recover the coordinate transformation that expresses the pose of one robot in the frame of reference of the other. The novelty of our approach is the use of two pairs of bearing measurements for the pose estimation instead of using both bearing and range measurements. The accuracy of the results is verified in extensive simulations and in experiments with real hardware. In experiments at distances between 3:0 m and 15:0 m, we show that the relative position is estimated with less than 0:5 % error and that the mean orientation error is kept below 2:2 deg. An approximate generalization is formulated and simulated for the case where each robot's camera is not colinear with the same robot's markers. Passed the precision limit of the cameras, we show that an unscented Kalman filter can soften the error on the relative position estimations, and that an quaternion-based extended Kalman filter can do the same to the error on the relative orientation estimations. This makes our solution particularly well suited for deployment on fleets of inexpensive robots moving in 6 DoF such as blimps.

L'organisme À nous le Podium a pour objectif de développer le système sportif canadien, notamment par le financement de la recherche et l'innovation. À la veille des Jeux de 2010, l'équipe de patinage de vitesse courte piste y a présenté un projet faisant l'objet du présent mémoire. Un réseau de quatre caméras synchronisées a été installé à Vancouver et à Montréal. La calibration est réalisée par appariement de cibles à des points de contrôle dans un référentiel orthonormé pour ainsi rectifier les trames par l'application d'une méthode polynomiale. Le suivi optique est basé sur un filtre particulaire qui extrait les trajectoires des patineurs. Tout le système est supporté par un système d'information géographique pour fins de manipulation et visualisation des données. Parallèlement, un outil de simulation a été réalisé pour estimer les forces subies et déployées par l'athlète sous des contraintes de friction et de caractéristiques géométriques imposées au tracé.