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.

Ce mémoire traite du développement d'une cellule robotisée de soudage par friction malaxage de l'aluminium pour le Centre de recherche industrielle du Québec. La technologie du soudage par friction malaxage comporte plusieurs avantages par rapport au soudage traditionnel de l'aluminium à l'arc électrique. C'est un procédé qui consomme peu d'énergie, qui ne dégage aucune fumée ou gaz toxique et qui ne nécessite aucun métal d'apport. De plus, les soudures réalisées ont de meilleures propriétés mécaniques car le matériau n'atteint pas le point de fusion. Ce procédé permet par surcroît de souder des séries d'aluminium réputées comme difficilement soudables par d'autres techniques. À ce jour, on utilise principalement des machines dédiées de type portique pour effectuer ce genre de soudure. Cela a l'avantage d'une grande rigidité (requise pour ce procédé) mais d'un autre côté, il est souvent impossible de réaliser des soudures de trajectoires complexes avec ce type d'équipement. Pour cette raison, la robotisation du procédé ouvrirait la porte à de multiples applications nouvelles pour cette technologie. Bien que certains groupes se soient déjà penchés sur la question, les solutions robotisées commercialement disponibles sont très rares à ce jour et en sont à leurs premiers pas. Pour arriver à robotiser le procédé, il a d'abord fallu concevoir une tête de soudage adaptable au robot. On a également dû compenser le manque de rigidité de ce dernier. Pour ce faire, une méthode de contrôle en force a été développée. En bout de ligne, on a pu effectuer des soudures par friction malaxage robotisé sur des trajectoires linéaires, rectangulaires et tridimensionnelles. La qualité des soudures a été comparée à d'autres effectuées sur une fraiseuse, un équipement beaucoup plus rigide.

Cette thèse traite de la trajectographie exo-atmosphérique d'un lanceur. Cette probl ématique repose sur la résolution d'un problème d'optimisation contraint : le problème aux deux bouts. Ce dernier consiste à trouver les actions à prendre afin d'atteindre la position et la vitesse désirées en consommant le moins d'énergie possible. Ces actions doivent respecter les contraintes imposées par la dynamique et la structure du véhicule. En plus, dans le cas d'un lanceur, le contrôle s'effectue uniquement en modifiant l'orientation de la poussée. Pour résoudre ce problème, le projet de doctorat est divisé en trois parties distinctes : la modélisation de la dynamique, l'obtention d'une trajectoire de référence et la fonction de guidage. La première partie, la modélisation, consiste à obtenir un modèle précis et réaliste de la dynamique de translation d'un lanceur. Elle passe donc par l'application de la seconde loi de Newton sur le centre de masse du lanceur. Dans cette thèse, ceci est effectué en utilisant trois représentations différentes, dont une nouvelle utilisant un quaternion qui permet de combler le vide entre les deux représentations existantes. À la suite de l'obtention d'un modèle du véhicule à guider, il devient possible de définir une trajectoire de référence régie par cette dynamique. Pour y parvenir, ce projet propose une optimisation directe où l'orientation de la poussée est discrétisée et correspond aux inconnues du problème d'optimisation. Le critère de ce problème d'optimisation inclut des termes utilisant des connaissances a priori de la trajectoire pour améliorer les propriétés de convergence. Le problème d'optimisation inclut également des contraintes, relaxées par des variables d'écart, sur l'orbite d'injection. La trajectoire résultante est utilisée comme consigne dans une fonction de guidage par suivi de trajectoire. Le suivi de trajectoire est une façon contournée de traiter le problème aux deux bouts et d'accélérer la résolution du problème de guidage afinn de s'insérer dans les capacités de calcul embarqué. Les algorithmes développés dans cette thèse sont basés sur la commande prédictive où les sorties du modèle prédictif sont les paramètres orbitaux instantanés de la trajectoire. Le premier algorithme utilise un modèle non-linéaire de prédiction alors que les deux autres sont basés sur une représentation linéaire variante dans le temps et sur une représentation linéaire fractionnelle. Ces trois algorithmes sont comparés à une solution classique en guidage de lanceur qui résout directement le problème aux deux bouts. Bien que les algorithmes développés produisent une orbite plus près de celle désirée et y parviennent en consommant moins de carburant, le temps de calcul nécessaire à leur résolution et leur piètre robustesse font en sorte qu'ils ne constitue pas une alternative intéressante à la solution de référence. / This thesis deals with the exo-atmospheric trajectory of a space launcher. The solution is obtained by solving a constrained optimization problem : the two-point boundary value problem. The solution is the required actions to reach the desired position and velocity while consuming the least energy as possible. These actions must comply with the constraints imposed by the dynamics and the structure of the vehicle. Also, for a space launcher, the control is limited to the thrust orientation. To solve this problem, this project is divided into three distinct parts : modeling the dynamics, obtaining a reference trajectory and the guidance function. The first part, the modeling, is the definition of an accurate and realistic model of the space launcher translational dynamics. Therefore, it requires the application of Newton's second law on the launcher center of mass. In this thesis, this is carried out using three different representations. The representation using a full quaternion is new to this field of application and fills the hole between the two others. With the model of the vehicle to be guided, it becomes possible to define a reference trajectory governed by this model. To do it, this project proposes a direct optimization where the thrust orientation is discretized and becomes the unknown of the optimization problem. The criterion of this optimization problem includes terms for a priori knowledge of the trajectory improving the convergence properties of the optimization. The optimization problem also includes constraints, relaxed by slack variables, on the injection orbit. The resulting trajectory is used as reference in a trajectory tracking guidance function. The trajectory tracking is a way to circumvent the resolution of the two-point boundary value problem, which accelerates the resolution to fit in on-board computing capabilities. The algorithms developed in this thesis are based on predictive control in which the outputs of predictive model are the instantaneous orbital parameters of the trajectory. A first algorithm uses a non-linear model for prediction while two others are rather based on a linear time-varying representation and a linear fractional representation. These three algorithms are compared to a conventional space launcher guidance solution, which directly solves the two-point boundary value problem. Even if the developped algorithms give a more accurate orbit and a less consuming trajectory, their computationnal time and poor robustness properties do not make them a viable alternative to the comparison solution.