Thèse (D.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2006. / Bibliogr.: f. 122-132. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Ce travail de thèse concerne la synthèse de commandes référencées capteur pour les robots non holonomes, dans le cadre de l'approche par fonctions transverses, ainsi que l'étude de la robustesse de ces lois de commande. La commande de robots non holonomes a été très étudiée ces quinze dernières années. Cependant, lorsque l'on souhaite stabiliser la pose complète du robot, la synthèse de lois de commande robustes vis-à-vis d'erreurs d'estimation de l'état du robot (qui dans la pratique découlent typiquement d'erreurs sur les modèles des capteurs) reste un problème ouvert. La problématique principale de cette thèse se situe à ce niveau. Les résultats développés dans cette thèse portent essentiellement sur deux aspects. Le premier concerne la façon d'utiliser les signaux capteurs pour la synthèse de lois de commande. Plusieurs méthodes de synthèse de commande sont proposées dans ce travail, en particulier, par analogie avec la commande des robots manipulateurs, nous proposons une synthèse directe dans l'espace des signaux capteurs. La deuxième partie de ce travail, plus fondamentale, porte sur l'analyse et l'évaluation des propriétés de robustesse des schémas de commande vis-à-vis d'incertitudes sur les modèles de capteurs. Des résultats théoriques de stabilité sont établis, puis validés et complétés par des simulations ainsi que par des résultats expérimentaux.

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

Th. doct.-ing.--Lille 1, 1977. N°: 206.

La forte et rapide croissance de l’énergie éolienne à travers le monde a nécessité la mise en vigueur de nouveaux critères normalisés permettant de l’intégrer dans les réseaux électriques sans affecter la qualité et la stabilité du système, et qui peuvent demander aux éoliennes de participer au réglage de la fréquence dans les réseaux en cas de besoin. Ainsi, les travaux présentés dans cette thèse visent à proposer une solution de loi de commande qui permette aux éoliennes de participer au réglage de la fréquence du réseau. En analysant les limites des correcteurs classiques de types P, PI et PID, nous avons opté pour la commande LQ munie d’une approche multimodèle et qui a montré de bonnes performances aux résultats de simulation. Certaines améliorations ont été ajoutées à cette loi de commande du genre modèle de référence, action intégrale, … afin de permettre une poursuite de puissance autour d’une référence donnée qui change selon la fréquence du réseau / The fast and big growth of wind power around the world required the implementation of new standardized criteria to integrate this kind of energy into electric networks without affecting the quality and stability of the system. These criteria could ask the wind turbines to participate in the network frequency control when necessary. Thus, the works presented in this thesis aim to provide a control law solution that allows wind turbines to participate the grid frequency control. By analyzing the limits of traditional regulators such as P, PI and PID, we opted for the LQ controller combined to a multi-model approach because of the good performances shown in the simulation results. Some improvements were added to this control law: reference model, integral action, ... to allow a power trucking for a given reference that changes with the grid frequency

Malgré le progrès en recherche et développement dans le domaine de système autonome, de tels systèmes nécessitent l’intervention humaine pour résoudre les problèmes imprévus durant l’exécution des tâches par l’utilisateur.Il est donc nécessaire, malgré cette autonomie, de tenir compte du comportement du conducteur et il est difficile d’ignorer l’effet de l’intervention humaine dans le cadre de l’évolution continue de l’environnement et des préférences de l’utilisateur. Afin d’exécuter les opérations selon les attentes de l’opérateur, il est nécessaire d’incorporer dans la commande les besoins de l’utilisateur.Dans les travaux présentés dans cette thèse un modèle comportemental de l’utilisateur est développé et intégré dans la boucle de commande afin d’adapter la commande à l’utilisateur. Ceci est appliqué à la commande des fauteuils électrique et assiste dans la navigation du fauteuil dans un milieu encombré.Le développement du modèle comportemental est basé sur la méthode de potentielles orientées et la détection des obstacles et le comportement du conducteur vs de ces obstacles par l’adaptation duL’étude contribue également au développement d’un modèle dynamique du fauteuil utilisable dans des situations normales et exceptionnelles telle que le dérapage. Ce modèle est développé pour un le cas le plus courant des fauteuil avec roues arrière conductrices utilisant le formalisme Euler Lagrange avec les forces gravitationnelles et sur des surfaces inclinées.Dans la formulation de la commande, le modèle du conducteur est introduit dans la boucle de commande. L’optimalité de la performance est assurée par l’utilisation du commande prédictif généralisé pour le système en temps continue. Les résultats de la simulation démontrent l’efficacité de l’approche proposée pour l’adaptation de la commande au comportement du conducteur / Although the progressive research and development of autonomous systems is fairly evident, such systems still require human interventions to solve the unforeseen complexities, and clear the uncertainties encountered in the execution of user-tasks. Thus, in spite of the system's autonomy, it may not be possible to absolutely disregard the operator's role. Human intervention, particularly in the control of auto-mobiles, may as well be hard to ignore because of the constantly changing operational context and the evolving nature of the drivers' needs and preferences. In order to execute the autonomous operations in conformity with the operator's expectations, it may be necessary to incorporate the advancing needs and behaviour of the operator in the design. This thesis formulates an operator behaviour model, and integrates the model in the control loop to adapt the functionality of a human-machine system to the operator's behaviour. The study focuses on a powered wheelchair, and contributes to the advancement of steering performance, through background assistance by modelling, empirical estimation and incorporation of the driver's steering behaviour into the control system. The formulation of the steering behaviour model is based on two fundamentals: the general empirical knowledge of wheelchair steering, and the experimental steering data captured by a standard powered wheelchair, on both virtual and real environments. The study considers a reactive directed potential field (DPF) method in the modelling of drivers' risk detection and avoidance behaviour, and applies the ordinary least square procedure in the identification of best-fitting driver parameters. The study also contributes to the development of a dynamic model of the wheelchair, usable under normal and non-normal conditions, by taking into consideration the conventional differential drive wheelchair structure with two front castor wheels. Derivation of the dynamic model, based on the Euler Lagrange formalism, is carried out in two folds: initially by considering the gravitational forces subjected to the wheelchair on inclined configurations with no slipping situations, and finally by incorporating slipping parameters into the model. Determination of the slipping parameters is approached from the geometric perspective, by considering the non-holonomic motions of the wheelchair in the Euclidean space. In the closed-loop model, the input-output feedback controller is proposed for the tracking of user inputs by torque compensation. The optimality of the resulting minimum-phase closed-loop system is then ensured through the performance index of the non-linear continuous-time generalised predictive control (GPC). Simulation results demonstrate the expected behaviour of the wheelchair dynamic model, the steering behaviour model and the assistive capability of the closed-loop system

Cette dissertation fait face au problème de la localisation de sources, un sujet qui a été largement étudié dans la littérature récente au vu de son grand nombre d'applications. En particulier, ce travail se concentre sur le pilotage de multiples capteurs, capables de prendre des mesures ponctuelles de la quantité émise, vers la source sans faire usage d'aucune information de position, qui se trouve être indisponible dans de nombreux cas pratiques (par exemple, sous l'eau ou dans l'exploration souterraine). En faisant quelques hypothèses sur le processus de diffusion, nous développons un modèle qui permet d'utiliser des outils mathématiques (l'intégrale de Poisson et ses dérivées) pour obtenir une simple approximation du gradient de la fonction décrivant le processus de diffusion, dont la source représente le maximum, ce qui permet d'utiliser l'algorithme du gradient et trouver l'emplacement de la source. Les contributions sont de trois ordres : d'abord, nous utilisons ces outils pour résoudre le problème de la recherche d'une source en deux dimensions à travers d'un contrôle centralisé, où un seul véhicule, équipé de multiples capteurs et sans information de position, se déplace dans un environnement planaire où se trouve une source. Ensuite, nous étendons cette recherche à un cadre en trois dimensions, en considérant un engin volant équipé de capteurs qui se déplace dans l'espace ; pour ce cas plus général, outre la validation par simulations, nous fournissons également une étude théorique des propriétes de convergence de la loi de commande proposée. Enfin, nous abordons le problème de la localisation de source de façon distribuée, compte tenu de plusieurs capteurs autonomes mobiles (en deux dimensions) ; outre le problème de mettre en oeuvre l'algorithme de localisation de source de manière distribuée, nous devons garantir un contrôle de la formation approprié pour assurer l'exactitude de l'estimation du gradient, et donc atteindre la source.} / The dissertation faces the problem of source localisation, a topic which has been extensively studied in recent literature due to its large number of applications. In particular, it focuses on steering multiple sensors, able to take point-wise measurements of the emitted quantity, towards the source without making use of any position information, which happens to be unavailable in many practical cases (for example, underwater or underground exploration). By making some assumptions on the diffusion process, we develop a model which allows us to use some mathematical tools (the Poisson integral and its derivatives) for a simple approximation of the gradient of the function describing the diffusion process, whose source represents its maximum, making it possible to perform a gradient ascent to find the source location. The contributions are threefold: first, we use such tools to solve a 2-dimensional centralised source-seeking problem, where a single vehicle, equipped with multiple sensors and without position information, is moving in a planar environment where a source is supposed to emit. Then, we extend it to a 3-dimensional framework, considering a flying vehicle equipped with sensors moving in the space; for this more general case, in addition to simulation validation, we provide a theoretical study of the convergence properties of the proposed control law. Finally, we tackle the distributed source-localisation problem, considering several autonomous moving sensors (in two dimensions); in addition to the problem of implementing the source-localisation algorithm in a distributed manner, in this latter case we have also to guarantee a suitable formation control, to ensure the correctness of the gradient estimation and hence reach the source.

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande et l'équilibre des robots humanoïdes disposant d'une base mobile à roues omnidirectionnelles. Les méthodes développées visent à atteindre de hautes performances dynamiques pour ce type de robot, tout en assurant stabilité et équilibre. Les robots humanoïdes ont en général un centre de masse relativement haut en comparaison avec leur surface de contact avec le sol. Ainsi, la moindre accélération des corps du robot induit une large variation de la répartition des forces de contact avec le sol. Si celles-ci ne sont pas correctement contrôlées, alors le robot peut tomber. De plus, le robot disposant d'une base mobile à roues, une perturbation peut l'amener aisément à basculer sur deux roues. Enfin, un intérêt particulier a été apporté à la réalisation d'une commande temps-réel implémentée sur le système embarqué du robot. Cela implique principalement des contraintes concernant le temps de calcul de la loi de commande. Afin de répondre à ces problèmes, deux modèles linéaires du robot ont été réalisés. Le premier permet de modéliser la dynamique du robot lorsque celui-ci possède toutes ses roues en contact avec le sol. Le second permet de modéliser la dynamique du robot lorsque celui-ci bascule sur deux de ses roues. Ces modèles ont été réalisés en prenant en compte la répartition massique du robot. Ainsi, il a été judicieux de le modéliser comme un système à deux masses ponctuelles, pouvant se déplacer sur un plan parallèle au sol. La première correspond au centre de masse de la base mobile, la seconde à celui du reste du robot. Ces modèles sont ensuite utilisés au sein de deux commandes prédictives, permettant de prendre en compte à chaque instant les contraintes dynamiques ainsi que le comportement du robot dans le futur. La première commande permet de contrôler les déplacements du robot lorsque celui-ci possède toutes ses roues en contact avec le sol, lui assurant de ne pas basculer. La seconde permet au robot de se rattraper d'une situation où une perturbation l'amène à basculer, afin de ramener toutes ses roues en contact avec le sol. Aussi, un superviseur disposant d'une machine à état à été réalisé afin de définir quelle loi de commande doit être exécutée à chaque instant. Ce superviseur utilise les capteurs disponibles sur le robot afin d'observer son état de basculement. Enfin, afin de valider expérimentalement le résultat des développements de cette thèse, une série d'expériences a été présentée, mettant en évidence les différents aspects de la loi de commande. Notamment, des essais ont été réalisés concernant le suivi de trajectoires non physiquement réalisables, le rejet de perturbations appliqués à la base mobile, la stabilisation du robot lors de son basculement, ainsi que la compensation de variations de l'inclinaison du sol. / The problem of this thesis concerns the control of the movements and the equilibrium of humanoid robots that have a mobile base with omnidirectionnal wheels. The developed methods aim to reach high dynamical performances for this type of robot, while ensuring it stability and equilibrium. Humanoid robots have generally a center of mass relatively high compared to its contact surface with the ground. Therefore, the slightest acceleration of the robot bodies induces a large variation of the distribution of the contact forces with the ground. If they are not properly controlled, the robot can fall. Moreover, the robot having a mobile base with wheels, a disturbance can easily bring it to tilt on two wheels. Finally, a specific interest have been provided about the realisation of a real time controler implemented on the embedded system of the robot. This implies some constraints about the computationnal time of the control law. In order to answer these problems, two linear models of the robot have been developed. The first allows to modelize the dynamics of the robot when it has all of its wheels in contact with the ground. The second allows to modelize the dynamics of the robot when it tilts on two of its wheels. These models have been developed by taking into account the mass distribution of the robot. These models have been subsequently used in two predictive control laws, allowing to take into account at every instant the dynamical constraints as weel as the future behavior of the robot. The first allows to control the movements of the robot when it has all of its wheels in contact with the ground, preventing it for tilting. The second allows the robot to recover itself in a situation when a disturbance bring it to tilt, in order to bring back all of its wheels in contact with the ground. Also, a supervisor that has a state machine has been made in order to define which control law has to be executed at each instant. This supervisor uses the available sensors on the robot in order to observe its tilt state. Finally, in order to validate experimentally the results of the developments of this thesis, a series of experiments has been presented, demonstrating some aspects of the control law. In particular, some tests have been made concerning the tracking of non physically feasible trajectories, the reject of disturbances applied on the mobile base, the stabilisation of the robot during its tilt, and the compensation of the variations of the ground inclination.

Un des plus grands défis dans la commande des robots est de combler l'écart entre la capacité de mouvement de l'humain et des robots humanoïdes. La difficulté réside dans la complexité des systèmes dynamiques représentant les robots humanoïdes: la non linéarité, le sous-actionnement, le comportement non-lisse en raison de collisions et de frottement, le nombre élevé de degrés de liberté. De plus, les robots humanoïdes sont censés opérer dans des environnements non-déterministes, qui exigent une commande temps réel avancée.L'approche qui prévaut actuellement pour faire face à ces difficultés est d'imposer diverses restrictions sur les mouvements et d'employer des modèles approximatifs des robots. Dans cette thèse, nous suivons la même ligne de recherche et proposons une nouvelle approche pour la conception de contrôleurs corps entier qui préservent l'équilibre. L'idée principale est de tirer parti des avantages des modèles approximatifs et de corps entier en les mélangeant dans un seul problème de contrôle prédictif avec des objectifs strictement hiérarchisés.La préservation de l'équilibre est l'une des principales préoccupations dans la commande des robots humanoïdes. Des recherches antérieures ont déjà établi que l'anticipation des mouvements est essentiel à cet effet. Nous préconisons que l'anticipation est utile dans ce sens comme un moyen de maintenir la capturabilité du mouvement, i.e., la capacité de s'arrêter. Nous soulignons que capturabilité des mouvements prévus peut être imposée avec des contraintes appropriées. Dans la pratique, il est fréquent d'anticiper les mouvements du robot à l'aide de modèles approximatifs afin de réduire l'effort de calcul, par conséquent, un contrôleur séparé de mouvement du corps entier est nécessaire pour le suivi. Au lieu de cela, nous proposons d'introduire l'anticipation avec un modèle approximatif directement dans le contrôleur corps entier. En conséquence, les mouvements du corps entier générés respectent les contraintes de capturabilité et les mouvements anticipes du modèle approximatif prennent en compte les contraintes et les tâches désirées pour le corps entier. Nous posons nos contrôleurs du mouvement du corps entier comme des problèmes d'optimisation avec des objectifs strictement hiérarchisés. Bien que cet ordre de priorité soit commun dans la littérature, nous croyons qu'il est souvent mal exploité.Par conséquent, nous proposons plusieurs exemples de contrôleurs, où la hiérarchisation est utile et nécessaire pour atteindre les comportements souhaités. Nous évaluons nos contrôleurs dans deux scénarios simulés, où la tâche du corps entier du robot influence la marche et le robot exploite éventuellement un contact avec la main pour maintenir son équilibre en étant debout. / One of the greatest challenges in robot control is closing the gap between themotion capabilities of humans and humanoid robots. The difficulty lies in thecomplexity of the dynamical systems representing the said robots: theirnonlinearity, underactuation, discrete behavior due to collisions and friction,high number of degrees of freedom. Moreover, humanoid robots are supposed tooperate in non-deterministic environments, which require advanced real timecontrol. The currently prevailing approach to coping with these difficulties isto impose various limitations on the motions and employ approximate models ofthe robots. In this thesis, we follow the same line of research and propose anew approach to the design of balance preserving whole body motion controllers.The key idea is to leverage the advantages of whole body and approximate modelsby mixing them within a single predictive control problem with strictlyprioritized objectives.Balance preservation is one of the primary concerns in the control of humanoidrobots. Previous research has already established that anticipation of motionsis crucial for this purpose. We advocate that anticipation is helpful in thissense as a way to maintain capturability of the motion, i.e., the ability tostop. We stress that capturability of anticipated motions can be enforced withappropriate constraints. In practice, it is common to anticipate motions usingapproximate models in order to reduce computational effort, hence, a separatewhole body motion controller is needed for tracking. Instead, we propose tointroduce anticipation with an approximate model into the whole body motioncontroller. As a result, the generated whole body motions respect thecapturability constraints and the anticipated motions of an approximate modeltake into account whole body constraints and tasks. We pose our whole bodymotion controllers as optimization problems with strictly prioritizedobjectives. Though such prioritization is common in the literature, we believethat it is often not properly exploited. We, therefore, propose severalexamples of controllers, where prioritization is useful and necessary toachieve desired behaviors. We evaluate our controllers in two simulatedscenarios, where a whole body task influences walking motions of the robot andthe robot optionally exploits a hand contact to maintain balance whilestanding.

La théorie du contrôle a d'abord été conçue pour des contrôleurs analogiques. Il était alors pertinent de synthétiser un contrôleur dans une représentation continue. De nos jours, les systèmes numériques ont majoritairement remplacés les systèmes analogiques pour différentes raisons (coût, résistance au bruit, intégration,...). Les signaux sont alors maintenus constants entre le cadencement périodique fixé par une horloge numérique.La commande événementielle vise à améliorer l’échantillonnage périodique en proposant une méthode dans laquelle les mises à jour sont déclenchées par une fonction événement.Dans cette thèse, de nouvelles méthodes de synthèse de contrôleurs evenementiels sont présentés et testés sur des systèmes temps-réels.La contribution la plus originale étant l'utilisation d'une commande événementielle appliquée à un problème d'anticollision entre une quadrirotor et un environnement supposé connu. / Control system theory has first been built for analog controllers. In this context, it was relevant to use a continuous framework to design a control feedback function. Nowadays, digital technologies are supplanting analog solutions due to several advantages (cost, noise, resistance, integration...). Signal is held constant between periodic triggers given by a digital clock.Event-based (or event-triggered) control aims to improve the periodic sampling scheme by proposing a method in which updates are triggered by an event function.In this thesis new event-based designs are detailled and tested on real-time systems.The most original contribution of this thesis is the use of an event-triggered design for a problem of collision avoidance between a quadrotor and a known environment.