La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs à articulations flexibles. Les méthodes développées visent à satisfaire les spécifications de performance et de robustesse en suivi de trajectoire, ainsi qu’à assurer un niveau de sécurité compatible avec un scénario de fonctionnement interactif dans lequel l’homme et le robot partagent un même espace de travail. Seules les mesures moteur sont utilisées dans un contexte d’instrumentation réduite. Le premier objectif de performance de la commande de mouvement est atteint grâce à l’identification expérimentale d’un modèle flexible représentatif du système, et l’usage de ce modèle pour la synthèse de lois de commande avancées intégrées au sein d’une structure cascade. Deux approches complémentaires fondées d’une part sur la commande prédictive de type GPC (Generalized Predictive Control), et d’autre part sur la commande Hinfini, sont considérées pour la synthèse de lois de commande à deux degrés de liberté, prédictives et robustes. Les performances de ces deux approches sont analysées et évaluées expérimentalement. Le deuxième objectif de sécurité est abordé à travers un algorithme de détection de collisions du robot avec son environnement, sans capteur d’effort et en présence d’incertitudes de modélisation. Afin de séparer efficacement les effets dynamiques des collisions de ceux des erreurs de modélisation, une stratégie adaptative de filtrage et de décision tenant compte de l’état du système est proposée. La validation expérimentale montre une très bonne sensibilité de détection, compatible avec les normes et les recommandations de sécurité relatives à la robotique collaborative. / The present thesis addresses the problem of motion control of flexible-joint robot manipulators using motor sensors only. The global objective is to guarantee tracking performance and robustness with respect to modeling uncertainties, together with safe human-robot interaction in a collaborative scenario where the robot and the human operator share the same workspace. The first objective of performance is achieved through the experimental identification of a flexible model of the system and the use of this model for the design of advanced control laws implemented in a cascade structure. Two complementary approaches, based either on predictive (Generalized Predictive Control, GPC) or Hinfinity control frameworks, are considered to design predictive and robust two degrees-of-freedom controllers. Experimental evaluation and analysis of the proposed strategies is provided. The second objective of safety is addressed by a novel algorithm for human-robot collision detection, without force sensors and in the presence of modeling uncertainties. In order to efficiently separate the dynamic effects of the collisions from the effects due to modeling errors, the proposed approach includes adaptive filtering and uses dynamic thresholds depending on the robot state. Experimental evaluation demonstrates a good detection sensitivity which is consistent with safety standards and recommendations for collaborative robotics.

L'objectif de cette thèse est de définir puis d'étudier les performances de méthodes de guidage coopératif de véhicules aériens autonomes. L'intérêt du guidage coopératif est de confier une mission complexe à une flotte, plutôt qu'à un véhicule unique, afin de distribuer la charge de travail et d'améliorer les performances et la fiabilité. Les lois de guidage étudiées sont distribuées sur l'ensemble des véhicules afin d'une part, de répartir la charge de calcul et d'autre part, d'augmenter la fiabilité en éliminant la possibilité de perte de l'organe central de calcul de la commande.La première partie de la thèse porte sur les possibilités offertes par la règle des plus proches voisins. La loi de guidage développée consiste à ce que la commande de chaque véhicule soit élaborée en combinant les états des véhicules voisins. Afin de transmettre des consignes au groupe de véhicules, des objets dénommés agents virtuels sont introduits. Ceux-ci permettent de représenter des obstacles, d'indiquer une direction ou une cible au groupe de véhicules en utilisant des mécanismes déjà présent dans la loi de guidage.La seconde partie de la thèse porte sur les possibilités offertes par la commande prédictive. Ce type de commande consiste à employer un modèle du comportement du système afin de prédire les effets de la commande, et ainsi de déterminer celle qui minimise un critère de coût en respectant les contraintes du système. La loi de guidage développée emploi un critère de coût tenant compte et arbitrant entre les différents aspects de la mission (sécurité, progression de la mission, modération de la commande), et une procédure de recherche de la commande utilisant jeu prédéfinis de commandes candidates afin d'explorer l'espace de commande de manière efficace. Cette procédure, distincte des algorithmes d'optimisation habituels, génère une charge de calcul faible et constante, ne nécessite pas d'étape d'initialisation et est très peu sensible aux minima locaux. / The thesis objective is to define and study the performances of cooperative guidance methods of autonomous aerial vehicles. The interest of cooperative guidance is to entrust a complex mission to a fleet, instead of an isolated vehicle, to distribute the workload and improve performances and reliability. Studied guidance laws are distributed among all vehicles, on one hand to distribute the computation load, and on the other hand to remove the possibility to lose the centralized organ of command computation.The first part deals with the possibilities offered by the nearest neighbour rule. The developed guidance law consists in elaborating the command of each vehicle by combining the states of neighbour vehicles. To transmit instructions to the fleet of vehicles, objects denominated virtual agents are introduced. These allow figuring obstacles, indicating direction or target using existing mechanisms of the guidance law.The second part deals with the possibilities offered by model predictive control. This type of command consists in employing a behavioural model of the system to predict the control effects, and thus finding the one that minimises a cost criterion while respecting system's constraints. The developed guidance law uses a cost criterion that take into account and arbitrate between the several aspects of the mission (safety, mission evolution, control moderation), and a control search procedure based on a predefined set of candidate controls to explore the control space efficiently. This procedure, different from usual optimisation algorithms, generate a low and constant computation load, needs no initialisation step and is little sensitive to local minima.

Ces dernières années, l’émergence des nouvelles technologies tels que la miniaturisation des composants, les dispositifs de communication sans fils, l’augmentation de la taille de stockage et les capacités de calcul, a permis la conception de systèmes multi-agents coopératifs de plus en plus complexes. L’un des plus grands axes de recherche dans cette thématique concerne la commande en formation de flottes de véhicules autonomes. Un grand nombre d’applications et de missions, civiles et militaires, telles que l’exploration, la surveillance, et la maintenance, ont alors été développées et réalisées dans des milieux variés (terre, air, eau). Durant l’exécution de ces tâches, les véhicules doivent interagir avec leur environnement et entre eux pour se coordonner. Les outils de communication disponibles disposent souvent d’une portée limitée. La préservation de la connexion au sein du groupe devient alors un des objectifs à satisfaire pour que la tâche puisse être accomplie avec succès. Une des possibilités pour garantir cette contrainte est le déplacement en formation permettant de préserver les distances et la structure géométrique du groupe. Il est toutefois nécessaire de disposer d’outils et de méthodes d’analyse et de commande de ces types de systèmes afin d’exploiter au maximum leurs potentiels. Cette thèse s’inscrit dans cette direction de recherche en présentant une synthèse et une analyse des systèmes dynamiques multi-agents et plus particulièrement la commande en formation de véhicules autonomes. Les lois de commande développées dans la littérature pour la commande en formation permettent d’accomplir un grand nombre de missions avec un niveau de performance élevé. Toutefois, si un défaut/défaillant apparaît dans la formation, ces lois de commandes peuvent s’avérer très limitées, engendrant un comportement instable du système. Le développement de commandes tolérantes aux défauts devient alors primordial pour maintenir les performances de commande en présence de défauts. Cette problématique sera traitée dans ce mémoire de thèse et concernera le développement et la conception de commandes en formation tolérantes au défaut dévolu à une flotte de véhicules autonomes suivant différente configuration/structuration / In recent years, the emergence of new technologies such as miniaturization of components, wireless communication devices, increased storage size and computing capabilities have allowed the design of increasingly complex cooperative multi-agent systems. One of the main research axes in this topic concerns the formation control of fleets of autonomous vehicles. Many applications and missions, civilian and military, such as exploration, surveillance, and maintenance, were developed and carried out in various environments. During the execution of these tasks, the vehicles must interact with their environment and among themselves to coordinate. The available communication tools are often limited in scope. The preservation of the connection within the group then becomes one of the objectives to be satisfied in order to carry out the task successfully. One of the possibilities to guarantee this constraint is the training displacement, which makes it possible to preserve the distances and the geometrical structure of the group. However, it is necessary to have tools and methods for analyzing and controlling these types of systems in order to make the most of their potential. This thesis is part of this research direction by presenting a synthesis and analysis of multi-agent dynamical systems and more particularly the formation control of autonomous vehicles. The control laws developed in the literature for formation control allow to carry out a large number of missions with a high level of performance. However, if a fault/failure occurs in the training, these control laws can be very limited, resulting in unstable system behavior. The development of fault tolerant controls becomes paramount to maintaining control performance in the presence of faults. This problem will be dealt with in more detail in this thesis and will concern the development and design of Fault tolerant controls devolved to a fleet of autonomous vehicles according to different configuration/structuring

Dans un souci d’amélioration des conditions de sécurité routière, l’union Européenne s’est fixée comme objectif de réduire le nombre de décès sur les routes. Le projet Européen ASSET aspire à l’amélioration de la sécurité et de la protection des conducteurs, des engins roulants ainsi que des infrastructures routières. Notre travail de thèse s’inscrit pleinement dans le cadre du projet ASSET et a pour application le développement d’outils théoriques et pratiques intégrant un véhicule lambda pour l’amélioration de la sécurité routière. L’objectif de la thèse est de réaliser ou d’utiliser les bus de communication de terrain au sein du véhicule, permettant à ce dernier de communiquer avec tous ses organes et de récolter des informations importantes qui seront dans un deuxième temps communiquées en liaison sans fil aux autres véhicules (ou à une centrale) afin de renseigner sur l’état du véhicule ou de la route. Nous proposons un système ubiquitaire intelligent nommé PCAN (Pervasif Controller Area Network), qui aspire à être un système embarqué automatique et intelligent dans un véhicule pour améliorer la sécurité routière et le confort de conduite. Concrètement, ce système PCAN permet de recueillir des informations contextuelles sur l'environnement extérieur et intérieur du véhicule et aussi de communiquer en liaison sans fil avec d'autres systèmes externes. Lesystème est composé d'un bus CAN ouvert, d'un système de communication sans fil et d'un ordinateur embarqué. Le bus CAN ouvert est composé de nœuds permettant l'ajout direct de différents capteurs ou actionneurs. Deux différents ordinateurs embarqués ont été utilisés : Le CompactRio et un ordinateur portable. Grâce à ces derniers, des modules de communication sans fil ont été utilisés permettant l'échange des données par Wi-Fi, ZigBee et GPRS. Toutes les informations collectées peuvent être affichées au conducteur grâce à un écran tactile.Le système PCAN est implémenté dans un véhicule Citroën C4. Sur la base de ce véhicule intelligent, nous avons développé des scénarios et applications afin d'améliorer la sécurité routière et le confort de conduite. Une application de l'avertissement de l'ABS est développée et testée expérimentalement pour deux scénarios : un avertissement par V2V direct et un avertissement par V2I ou V2V indirect. Concernant l'avertissement V2V en communication ZigBee, une application de la localisation de véhicule en détresse est proposée grâce à une modélisation mathématique de la distance en fonction de la qualité du signal. Par ailleurs, un algorithme d’optimisation est réalisé pour rechercher la station de service (ou le point de recharge dans le cas d’un véhicule électrique) optimale en fonction de différents critères.Le système PCAN peut recueillir des informations contextuelles sur le véhicule et son environnement, il peut également établir des communications sans fil. Ces fonctionnalités sont enrichies par la possibilité d'effectuer le contrôle/commande de certains composants du véhicule raccordés au PCAN. Nous utilisons le système PCAN afin de contrôler et de commander à distance un actionneur mécatronique du véhicule. La méthode de commande est basée sur une association originale d'un PID avec un régulateur à base de Logique Floue (LF). / In order to improve road safety conditions, the European Union has set itself the objective of reducing the number of road deaths. The European ASSET project aims to improve the safety and protection of drivers, rolling stock and road infrastructure. Our thesis work is fully in line with the ASSET project and aims to develop theoretical and practical tools integrating a lambda vehicle for improving road safety. The objective of the thesis is to develop or use field communication buses within the vehicle, allowing the vehicle to communicate with all its components and collect important information that will then be communicated wirelessly to other vehicles (or to a central office) to provide information on the condition of the vehicle or road. We propose an intelligent ubiquitous system called PCAN (Pervasif Controller Area Network), which aims to be an automatic and intelligent embedded system in a vehicle to improve road safety and driving comfort. In practical terms, this PCAN system makes it possible to collect contextual information on the vehicle's external and internal environment and also to communicate wirelessly with other external systems. The system consists of an open CAN bus, a wireless communication system and an embedded computer. The open CAN bus consists of nodes that allow the direct addition of different sensors or actuators. Two different embedded computers were used: The CompactRio and a laptop computer. Thanks to the latter, wireless communication modules were used to exchange data via Wi-Fi, ZigBee and GPRS. All the information collected can be displayed to the driver via a touch screen and the PCAN system is implemented in a Citroën C4 vehicle. On the basis of this intelligent vehicle, we have developed scenarios and applications to improve road safety and driving comfort. An application of the ABS warning is developed and tested experimentally for two scenarios: a direct V2V warning and a V2I or indirect V2V warning. Concerning the V2V warning in ZigBee communication, an application of vehicle location in distress is proposed thanks to a mathematical modeling of the distance as a function of the signal quality. In addition, an optimization algorithm is used to search for the optimal filling station (or charging point in the case of an electric vehicle) according to different criteria. PCAN can collect contextual information about the vehicle and its environment, it can also establish wireless communications. These functionalities are enhanced by the possibility of carrying out the control/command of certain vehicle components connected to PCAN. We use the PCAN system to remotely control and command a mechatronic actuator in the vehicle. The control method is based on an original association of a PID with a Fuzzy Logic (LF) controller.Translated with www.DeepL.com/Translator

Cette thèse est dédiée à la pré-calibration des nouveaux systèmes d’aides à la conduite (ADAS). Le développement de ces systèmes est devenu aujourd’hui un axe de recherche stratégique pour les constructeurs automobiles dans le but de proposer des véhicules plus sûrs et moins énergivores. Cette thèse contribue à une vision méthodologique multi-critère, multi-modèle et multi-scénario. Elle en propose une instanciation particulière pour la pré-calibration spécifique au Lane Centering Assistance (LCA). Elle s’appuie sur des modèles dynamiques de complexité juste nécessaire du véhicule et de son environnement pour, dans le cadre du formalisme H2/H∞, formaliser et arbitrer les compromis entre performance de suivi de voie, confort des passagers et robustesse. Les critères élaborés sont définis de manière à être d’interprétation aisée, car directement liés à la physique, et facilement calculables. Ils s’appuient sur des modèles de perturbations exogènes (e.g. courbure de la route ou rafale de vent) et de véhicules multiples mais représentatifs, de manière à réduire autant que possible le pessimisme tout en embrassant l’ensemble des situations réalistes. Des simulations et des essais sur véhicules démontrent l’intérêt de l’approche. / This thesis deals with the tuning of the new Advanced Driving Assistance Systems (ADAS). The development of these systems has become nowadays a strategic line of research for the automotive industry towards the conception of safer and fuel-efficient vehicles.This thesis contributes to a multi-criterion, multi-modeland multi-scenario methodological vision of the tuning process. It is presented through a specific application of the tuning of the Lane Centering Assistance (LCA). It relies on vehicle and environment’s dynamical models of adequate complexity in the aim of formalizing and managing, in a H2/H∞ framework, the trade-off between performance, comfort and robustness. The formulated criteria are easy to compute and defined in a way to be understandable, closely linked to practical specifications. The whole methodology is driven by the research of a pertinent trade-off between realism (being as closest as possible to reality) and complexity (quick evaluation of the criterion). The efficiency and the robustness of the approach is demonstrated through high-fidelity simulations and numerous tests on real vehicles.

Cette thèse adresse le problème de la commande prédictive non linéaire (CPNL) appliquée aux systèmes à dynamiques rapides. Pour ces systèmes, le temps de calcul disponible peut s'avérer insuffisant pour la résolution des problèmes d'optimisation fortement non linéaires et contraints. Dans ce contexte, l'approche paramétrique utilisée dans cette thèse peut s'avérer un choix pertinent pour résoudre ce type de problèmes. Deux exemples d'application sont présentés pour souligner les avantages de la méthode paramétrique: le circuit d'air d'un moteur diesel et le système des pendules jumeaux sur un chariot. Une validation expérimentale sur les deux procédés est aussi proposée pour montrer l'efficacité des solutions proposées.

L'objectif principal de ce travail a été de développer des solutions pour le contrôle de la distribution de la taille des particules (DTP) lors d'un procédé de polymérisation en émulsion. La DTP affecte les propriétés rhéologiques, et optiques du polymère ou encore sa stabilité. Pour ces raisons la DTP apparaît comme une caractéristique importante à contrôler. Le modèle décrivant l'évolution de la DTP est régi par des équations aux dérivées partielles (EDP) non linéaires. L'étude numérique du modèle a permis de dresser un modèle de commande. Deux types de stratégie de commande prédictive par modèle interne ont été définis, l'une basée sur un modèle de commande non linéaire et l'autre basée sur un modèle linéaire temps variant. La DTP étant difficilement mesurable en ligne, notre choix s'est porté vers d'autres mesures, les concentrations de tensioactif libre et de monomère. Il a été possible de définir des profils de concentration afin d'obtenir un produit final avec une DTP spécifique. Les résultats de simulations ont montré la faisabilité de cette approche.

Les algorithmes génétiques, la logique floue et les réseaux de neurones sont de plus en plus utilisés dans des domaines d'application très variés. Nous nous proposons de les étudier dans le cadre de l'identification et de la commande de la machine asynchrone. Plus particulièrement, nous utilisons les algorithmes génétiques afin d'identifier les paramètres du modèle dynamique de la machine. Des régulateurs, à base de logique floue et de réseaux de neurones, sont implantés au sein d'une commande vectorielle par orientation du flux rotorique. Est également abordée l'influence de la variation des paramètres sur le fonctionnement du système. Les défauts de structure de la machine asynchrone sont considérés dans le cas des ruptures de barres au rotor. Le diagnostic de ces défauts ainsi que leur influence sur le comportement de la régulation sont étudiés. Enfin, une amélioration de la commande vectorielle sans capteur mécanique est présentée ouvrant une voie vers les techniques intelligentes de commande. Ces dernières sont maintenant possibles compte tenu de la puissance sans cesse grandissante des processeurs. Un logiciel de simulation, développé dans le cadre de la thèse, a permis de mener une bonne partie des études présentées. Une attention particulière a été accordée à la partie expérimentale, seul garant de la faisabilité et de la validation de l'étude.

Le Conseil Régional de Champagne-Ardenne porte un intérêt particulier aux formations supérieures professionnalisantes en sciences et techniques. Dans ce cadre, il a été proposé de permettre l'utilisation de Systèmes Automatisés de Production (SAP) par des apprenants. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception de la commande de systèmes manufacturiers par des automaticiens au niveau de compétence variable, pouvant aller du novice jusqu'à l'expert. L'utilisation de Parties Opératives (PO) réelles, en particulier de façon distante à travers le web, par des automaticiens, qui sont tous susceptibles de commettre des erreurs de conception, soulève des problèmes originaux à la fois théoriques de validation et de vérification de la commande mais aussi de prise en compte du concepteur. Ces problèmes, que l'on retrouve dans l'industrie, nécessitent une approche de l'automatisation prenant en compte la composante humaine (expert - formateur, concepteur - apprenant) du Système Homme-Machine. Les contributions développées dans cette thèse portent sur l'adaptation du système aux savoirs du concepteur et la sécurisation de l'installation. Concernant le premier point, il est mis en évidence l'importance pédagogique de travailler sur toute l'installation plutôt que sur une partie. Une approche méthodologique est proposée, et consiste à décomposer fonctionnellement la PO en vue de pouvoir adapter le cahier des charges au concepteur, tout en conservant la vision globale du système manufacturier. Concernant le second point, deux approches sont envisagées pour assurer la sécurité de la Partie Opérative. La première, hors ligne, repose sur des travaux antérieurs de l'équipe « SED et Supervision du CReSTIC » dans le domaine de la synthèse par Ramadge et Wonham pour l'obtention d'une commande sûre, robuste et sans blocage. Celle-ci a été adaptée pour assurer d'une part que les modèles de PO et de spécifications sont justes, et d'autre part que la commande proposée respecte le comportement maximum admissible par le système, compte tenu des spécifications du cahier des charges. La seconde approche, en ligne, utilise un filtre, qui consiste à n'envoyer vers la PO que des commandes validées. La principale difficulté de ce type d'approche réside dans les spécifications du filtre, et dans son implémentation. Une structure de filtre à 2 niveaux, ayant des capacités explicatives pour le concepteur, est proposée. Le premier appelé « filtre de validation système » permet de sécuriser la PO et repose sur la spécification de contraintes logiques. Le second appelé « filtre de validation fonctionnel » permet de vérifier le respect du cahier des charges et n'a pas été développé dans cette thèse. Une erreur au niveau de la définition des spécifications de sécurité entraîne une validation de la commande erronée et met ainsi le système en danger. L'approche proposée pour s'assurer que les contraintes sont correctement définies, consiste à vérifier formellement, avant l'implémentation dans l'Automate Programmable Industriel (API), au moyen du model-checker UPPAAL, qu'elles sont nécessaires et suffisantes pour éviter toutes situations de détérioration de l'installation (éléments de PO et produit), et cela en considérant la commande la plus permissive possible. Le filtre de validation système revient à garantir un filtrage « robuste » sécuritaire des commandes. Deux applications du filtre « robuste » de commande sont présentées et permettent de montrer d'une part l'intérêt des concepts, méthodes et outils proposés et d'autre part leur applicabilité. La première concerne un système réel de conditionnement de médicaments. L'approche de sécurisation de la PO et d'adaptation au concepteur est mise en ?uvre. Celle-ci a été testée et son intérêt montré au moyen d'expérimentations menées avec des automaticiens novices et plus expérimentés. La seconde application concerne une simulation de magasin automatisé. Le filtre est utilisé dans ce cas, non pas pour éviter les détériorations, mais pour apporter des explications. Ces exemples mettent aussi en évidence les limites et les perspectives de ces travaux.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur la modélisation et la commande non linéaire le système du forage pétrolier. La problématique principale consiste à proposer un modèle de forage non linéaire et à élaborer un ensemble de stratégies de commande avancées pour améliorer les performances du trépan.<br />A l'heure actuelle, les commandes des systèmes de forage pétroliers sont réalisées à l'aide de régulateurs classiques PI ou PID. Leurs performances se dégradent notablement lors de vibration de torsion causée par le « stick- slip », phénomène qui peut provoquer des couples non linéaires et donc endommager le trépan et le train de tiges. Par conséquent, il est nécessaire de disposer de systèmes de commande plus performants afin de mieux répondre aux exigences et aux performances demandées.<br />En dépit des diverses lois de commandes linéaires tentatives pour commander ce système mais qui ne garantissent pas la stabilité vis-à-vis des incertitudes. Ceci nous a conduits à proposer une modèle non linéaire en prenant en compte la totalité de l'information du phénomène du stick-slip, ce qui a conduit à une modélisation globale du forage rotary approchant donc au mieux le comportement réel de la plate-forme pétrolière. Pour cela, nous avons suggéré deux approches pour améliorer les performances du système de forage rotary:<br />• Commande par la technique de linéarisation par bouclage.<br />• Développement d'une commande par la technique des modes glissant associé à la commande linéarisation par Bouclage.<br />Comme le système de forage est généralement, est un système soumis aux incertitudes paramétriques, nous avons proposé, de plus, une nouvelle loi de commande non linéaire par Backstepping permettant de mieux améliorer la réponse de la vitesse de rotation du trépan.<br />Ces trois stratégies de commandes apparaissent la première fois dans ce domaine et la approche de Backsteping s'avère la meilleure. Les résultats de simulations obtenus dans les trois cas sont concluants et la synthèse par Backstepping montré la supériorité de, où la question de robustesse a pu être considérée.