Ce mémoire présente des manœuvres de réorientation appliquées à un robot articulé et à un robot mobile en chute libre. Ces manœuvres, initialement inspirées du phénomène du chat qui atterrit toujours sur ses pattes, sont aussi attribuées à d'autres animaux, tels que certains reptiles et même les humains dans le contexte de certains sports. Les manœuvres de réorientation ont aussi des applications dans le domaine de la robotique. En effet, de tels manœuvres s'avèrent utiles pour le contrôle de pose d'atterrissage pour des robots susceptibles aux chutes, comme les robots sauteurs ou les robots de secours qui doivent être déployés dans des environnements dangereux et difficiles à parcourir. Dans cette optique, le travail présenté dans ce mémoire vise à développer et démontrer des manœuvres de réorientation permettant une réorientation rapide (redressement de 180 degrés -- le pire cas possible -- dans le temps d'une chute d'un mètre) et multiaxe. Tout d'abord, une architecture articulée ainsi que deux manœuvres de réorientation sont conçues afin d'atteindre les capacités de réorientation visées et les performances de cette architecture sont testées en simulation. Les résultats obtenus démontrent que l'architecture proposée est capable de se réorienter selon plusieurs axes, mais n'atteint pas les performances visées en termes de vitesse de réorientation. Par la suite, une architecture mobile omnidirectionnelle et compacte est conçue afin d'adresser les limitations de la première architecture. Un prototype de cette architecture est développé et permet d'effectuer une réorientation de 179 degrés selon son axe de tangage en 0.44 secondes tout en conservant sa capacité de se redresser selon plusieurs axes. Les performances de réorientation visées sont alors atteintes avec ce deuxième prototype. Enfin, une méthode de fusion de données par filtre de Kalman étendu servant à estimer l'orientation d'une plateforme en apesanteur est explicitée et est validée dans des conditions contrôlées. Ces résultats démontrent l'utilité de telles méthodes de fusion de données pour implémenter la planification automatique des manœuvres de réorientation dans les itérations futures du prototype développé. / This thesis explores the application of reorientation manoeuvres to an articulated and a mobile robot architecture. These manoeuvres are often attributed to cats that are said to always land on their feet, but have also been observed in other animals and used by humans in certain sports. However, these manoeuvres are more than just a curiosity and have seen some use in the field of robotics. Indeed, reorientation manoeuvres are used for orientation control in falling robots, such as rescue robots deployed in dangerous environments, and in jumping robots. With such applications in mind, this thesis aims to develop and demonstrate fast (180-degree reorientation about one axis -- the worst-case scenario -- within the time of a one-metre fall), multi-axis reorientation manoeuvres. Firstly, an articulated architecture, along with two different manoeuvres, are designed in order to attain the desired reorientation capabilities and are tested in simulated conditions. The results obtained show that, although multi-axis reorientation is achieved, the required motor torques to reach the desired reorientation speeds are not feasible for the proposed architecture. Secondly, an omnidirectional mobile robot architecture is designed to address the limitations of the first architecture. A prototype of this mobile architecture is developed and is used to demonstrate a reorientation of 179 degrees about the pitch axis in 0.44 seconds as well as a reorientation about multiple axes. Therefore, with this prototype, the desired reorientation capabilities are achieved. Finally, the use of sensor fusion methods based on extended Kalman filtering in the context of estimation of the orientation of a free-floating platform is studied. The results obtained from this study support the viability of using such methods for on-board trajectory planning in future iterations of the developed prototype.

Ce mémoire présente des manœuvres de réorientation appliquées à un robot articulé et à un robot mobile en chute libre. Ces manœuvres, initialement inspirées du phénomène du chat qui atterrit toujours sur ses pattes, sont aussi attribuées à d'autres animaux, tels que certains reptiles et même les humains dans le contexte de certains sports. Les manœuvres de réorientation ont aussi des applications dans le domaine de la robotique. En effet, de tels manœuvres s'avèrent utiles pour le contrôle de pose d'atterrissage pour des robots susceptibles aux chutes, comme les robots sauteurs ou les robots de secours qui doivent être déployés dans des environnements dangereux et difficiles à parcourir. Dans cette optique, le travail présenté dans ce mémoire vise à développer et démontrer des manœuvres de réorientation permettant une réorientation rapide (redressement de 180 degrés -- le pire cas possible -- dans le temps d'une chute d'un mètre) et multiaxe. Tout d'abord, une architecture articulée ainsi que deux manœuvres de réorientation sont conçues afin d'atteindre les capacités de réorientation visées et les performances de cette architecture sont testées en simulation. Les résultats obtenus démontrent que l'architecture proposée est capable de se réorienter selon plusieurs axes, mais n'atteint pas les performances visées en termes de vitesse de réorientation. Par la suite, une architecture mobile omnidirectionnelle et compacte est conçue afin d'adresser les limitations de la première architecture. Un prototype de cette architecture est développé et permet d'effectuer une réorientation de 179 degrés selon son axe de tangage en 0.44 secondes tout en conservant sa capacité de se redresser selon plusieurs axes. Les performances de réorientation visées sont alors atteintes avec ce deuxième prototype. Enfin, une méthode de fusion de données par filtre de Kalman étendu servant à estimer l'orientation d'une plateforme en apesanteur est explicitée et est validée dans des conditions contrôlées. Ces résultats démontrent l'utilité de telles méthodes de fusion de données pour implémenter la planification automatique des manœuvres de réorientation dans les itérations futures du prototype développé. / This thesis explores the application of reorientation manoeuvres to an articulated and a mobile robot architecture. These manoeuvres are often attributed to cats that are said to always land on their feet, but have also been observed in other animals and used by humans in certain sports. However, these manoeuvres are more than just a curiosity and have seen some use in the field of robotics. Indeed, reorientation manoeuvres are used for orientation control in falling robots, such as rescue robots deployed in dangerous environments, and in jumping robots. With such applications in mind, this thesis aims to develop and demonstrate fast (180-degree reorientation about one axis -- the worst-case scenario -- within the time of a one-metre fall), multi-axis reorientation manoeuvres. Firstly, an articulated architecture, along with two different manoeuvres, are designed in order to attain the desired reorientation capabilities and are tested in simulated conditions. The results obtained show that, although multi-axis reorientation is achieved, the required motor torques to reach the desired reorientation speeds are not feasible for the proposed architecture. Secondly, an omnidirectional mobile robot architecture is designed to address the limitations of the first architecture. A prototype of this mobile architecture is developed and is used to demonstrate a reorientation of 179 degrees about the pitch axis in 0.44 seconds as well as a reorientation about multiple axes. Therefore, with this prototype, the desired reorientation capabilities are achieved. Finally, the use of sensor fusion methods based on extended Kalman filtering in the context of estimation of the orientation of a free-floating platform is studied. The results obtained from this study support the viability of using such methods for on-board trajectory planning in future iterations of the developed prototype.

La présente thèse porte sur l'étude de la trajectoire d'une sphère en chute libre dans un tube rempli d'un fluide newtonien au repos. Ce sujet est motivé par la compréhension des phénomènes liés au transport des particules, avec un intérêt particulier aux interactions entre le sillage de la sphère et une paroi. Le transport des particules intervient dans de nombreux domaines, tels que la trajectoire des particules thérapeutiques dans les poumons, la trajectoire des particules de carburant et la trajectoire de réactifs chimiques dans les lits fluidisés. Les simulations sont rendues possibles par le développement de la méthode chimère (gestion des grilles superposées) implémentée dans un solveur des équations de Navier-Stokes (logiciel NSMB). La méthode chimère développée est rapide, automatique et parallèle et elle est validée sur plusieurs cas tests fixes et mobiles. Cette méthode est d'abord appliquée sur la sphère en translation uniforme dans un tube. Les états trouvés sont similaires à ceux décrits pour une sphère non-confinée. Ensuite, la méthode est utilisée pour l'étude d'une sphère en chute libre dans un tube. Trois types de trajectoires apparaissent dans la gamme étudiée: une chute verticale le long de l'axe du tube, une trajectoire hélicoïdale (pas de lâcher tourbillonnaire en aval de la sphère) et une trajectoire hélicoïdale avec un rayon variable (écoulement avec lâchers tourbillonnaires).

La mémoire présente une étude numérique des trajectoires non-verticales d'objets en chute ou en ascension libre dans un fluide newtonien initialement au repos. Une méthode numérique originale combinant une discrétisation spatiale spectrale et la décomposition du domaine a été implémentée à cet effet. Le code obtenu a été exploité pour apporter de nouvelles connaissances sur des objets fixes et objets libres. Pour les objet fixes, ellipsoïdes et cylindres, l'étude très complète des divers états de la transition a permis d'établir un lien entre le scénario de transition de la sphère et du disque infiniment mince. La simulation numérique d'objets libres a apporté des résultats très complets sur la chute de disques minces et de cylindres de faible épaisseur. Plusieurs questions soulevées dans les travaux précédents ont trouvés des réponses claires. Une étude paramétrique exhaustive, jamais abordée précédemment, portant sur des ellipsoïdes est décrite dans le dernier chapitre du mémoire.

La mémoire présente une étude numérique des trajectoires non-verticales d’objets en chute ou en ascension libre dans un fluide newtonien initialement au repos. Une méthode numérique originale combinant une discrétisation spatiale spectrale et la décomposition du domaine a été implémentée à cet effet. Le code obtenu a été exploité pour apporter de nouvelles connaissances sur des objets fixes et objets libres. Pour les objet fixes, ellipsoïdes et cylindres, l’étude très complète des divers états de la transition a permis d’établir un lien entre le scénario de transition de la sphère et du disque infiniment mince. La simulation numérique d’objets libres a apporté des résultats très complets sur la chute de disques minces et de cylindres de faible épaisseur. Plusieurs questions soulevées dans les travaux précédents ont trouvés des réponses claires. Une étude paramétrique exhaustive, jamais abordée précédemment, portant sur des ellipsoïdes est décrite dans le dernier chapitre du mémoire. / The manuscript presents a numerical study of non-vertical trajectories of bodies fallingor rising freely in a Newtonian fluid initially at rest. The original numerical methodcombining a spectral spatial discretization and the decomposition of the domain wasimplemented. The developed code was used to study fixed and freely moving objects. Forthe fixed bodies, spheroids and cylinders, a very complete study of various transitionalregimes was carried out and established a link between the transition scenario of a sphereand of a disc. The numerical simulation of free bodies brought about the results onpath instabilities of discs and cylinders of small thickness. Several questions raised inprevious studies were clearly answered. An exhaustive parametric study, that has never beentaken up before, of freely moving spheroids is described in the last chapter of the manuscript.