Les simulateurs de conduite avancés sont des systèmes formés de quatre composants: un écran panoramique de réalité virtuelle pour simuler la route et le trafic, un système audio pour jouer les sons liés à la conduite (freinage, grincements, etc.), un cockpit d'une voiture réelle (avec un tableau de bord authentique, les pédales, les sièges, etc.) pour recopier la position du corps du conducteur et ses moyens d'interaction avec le véhicule et enfin, un robot portant ce cockpit afin d'assurer son mouvement. Alors que les trois premiers composants peuvent prétendre à un degré de réalisme suffisamment élevé, le dernier (le robot) présente une capacité de déplacement très réduite (de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres), rendant chimérique l'idée de pouvoir reproduire les trajectoires d'une vraie voiture. En réalité le but d'un simulateur de conduite n'est pas la reproduction des trajectoires réelles mais des sensations de mouvement correspondantes. Comment peut-on reproduire, alors, des sensations réalistes de mouvement malgré les déplacements réduits du cockpit de simulation ? C'est le but des Algorithmes de Motion Cueing (ACM) de fournir des solutions à ce problème via l'utilisation d'heuristiques. Nous avons pensé qu'au lieu de chercher simplement à reproduire les sensations de mouvement, nous pouvons répondre à une question plus intéressante : Quelle est la performance maximale d'un simulateur de conduite ? Ou, de manière plus précise, pour une trajectoire réelle donnée quelle est la meilleure trajectoire du simulateur en termes de qualité de sensations, étant données les limitations de mouvement du robot ? Répondre à cette question, nous permettra de réaliser la calibration des ACMs existants ainsi que celle des robots de simulation (en termes de géométrie et de dynamique) en amont de leur construction. Dans cette thèse, nous répondons à cette question grâce à notre Algorithme de Performance Maximale (APM) qui couvre tous les aspects de contrôle liés à la simulation. En effet, nous intégrons la notion de sensation grâce à l'utilisation de modèles perceptifs recueillis dans la littérature. Nous intégrons, également, nos propres modèles dynamiques détaillés et non linéaires du robot de simulation. Nous assurons, enfin, le respect des contraintes de déplacement par l'utilisation d'une approche directe d'optimisation. La complexité de ce problème est non seulement due à la difficulté de définir la notion de performance (en effet quelle est le sens exact de la notion de sensation ?), mais aussi à l'enveloppe réduite du mouvement du robot (limitations en termes de position, vitesse et accélération) et à sa dynamique non linéaire. Une fois tous ces concepts posés et définis, nous avons testé notre approche sur deux types de simulateurs (à base fixe et à base mobile posée sur des rails). Les résultats sont riches en information: le caractère fréquentiel des différents degrés de liberté (basses fréquences pour la tilt coordination, hautes fréquences pour les translations), la non causalité de l'APM, l'enveloppe de mouvement très réduite du simulateur et la nécessité d'utiliser un facteur d'échelle, etc. Deux variations de l'APM ont été introduites pour traiter les deux derniers points: l'APM causal et l'APM allure. Nous avons également défini deux indicateurs de performance (IP et IP allure) pour mesurer la fidélité du simulateur en termes d'amplitude et en termes de profil. En résumé, cette thèse présente un ensemble d'outils d'aide au calibrage aux AMCs et aux robots de simulation en amont de leur construction. Deux autres problèmes ont été abordés dans cette dissertation: le problème de redondance et la commande robuste. Quant au premier problème, l'APM a montré, pour les simulateurs redondants (à base mobile), l'existence d'un recouvrement fréquentiel des deux translations: les rails et l'hexapode. Comment peut-on alors exploiter ce recouvrement ? Nous proposons une méthode basée sur le formalisme des systèmes dynamiques hybrides qui permet de réduire les sensations incohérentes (dues aux freinages à l'approche des butées) et de minimiser l'absence des sensations (due à l'absence de blocage). Concernant la commande robuste, nous avons eu deux contributions théoriques dans la commande par couple calculé: une formalisation englobante basée sur une méthode de Lyapunov (développée antérieurement par Qu et Dawson) ainsi qu'un résultat fin: le théorème du choix vivant (extension du travail de Samson) dont la démonstration est basée sur la majoration de la solution d'une équation de Riccati non symétrique et non autonome sur tout l'horizon de simulation.

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs industriels légèrement flexibles utilisés pour la robotisation de procédés d'usinage et de soudage FSW. Le premier objectif est la modélisation des robots et des procédés. Les modèles développés concernant la cinématique et la dynamique de robots 6 axes à architecture série et à flexibilité localisées aux articulations. Les paramètres du modèle dynamique et les raideurs sont identifiés avec la méthode à erreur de sortie qui donne une bonne précision d'estimation. La norme relative du résidu du modèle après identification est de 3,2%. Le deuxième objectif est l'amélioration des performances de la robotisation des procédés. Un simulateur a été développé qui intègre le modèle dynamique du robot flexible, les modèles de procédés et le modèle du contrôleur de robot y compris les lois de commande en temps réel des axes et le générateur de trajectoires. Un observateur non-linéaire à grands gains est proposé pour estimer l'état complet du robot flexible ainsi que les efforts d'interaction. Ensuite, un compensateur basé sur l'observateur est proposé pour corriger les erreurs de positionnement en temps réel. La validation expérimentale sur un robot industriel Kuka, montre une très bonne estimation de l'état complet par l'observateur. Un soudage FSW précis grâce à la compensation en temps réel de la flexibilité du manipulateur a pu être effectué avec succès.

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs industriels légèrement flexibles utilisés pour la robotisation de procédés d'usinage et de soudage FSW. Le premier objectif est la modélisation des robots et des procédés. Les modèles développés concernant la cinématique et la dynamique de robots 6 axes à architecture série et à flexibilité localisées aux articulations. Les paramètres du modèle dynamique et les raideurs sont identifiés avec la méthode à erreur de sortie qui donne une bonne précision d'estimation. La norme relative du résidu du modèle après identification est de 3,2%. Le deuxième objectif est l'amélioration des performances de la robotisation des procédés. Un simulateur a été développé qui intègre le modèle dynamique du robot flexible, les modèles de procédés et le modèle du contrôleur de robot y compris les lois de commande en temps réel des axes et le générateur de trajectoires. Un observateur non-linéaire à grands gains est proposé pour estimer l'état complet du robot flexible ainsi que les efforts d'interaction. Ensuite, un compensateur basé sur l'observateur est proposé pour corriger les erreurs de positionnement en temps réel. La validation expérimentale sur un robot industriel Kuka, montre une très bonne estimation de l'état complet par l'observateur. Un soudage FSW précis grâce à la compensation en temps réel de la flexibilité du manipulateur a pu être effectué avec succès. / The problem addressed in this thesis concerns the control of industrial robot manipulators which are slightly flexible and used for machining and FSW processes. The first objective is to model the robots and processes. The developed models concern the kinematics and dynamics models of 6-axis robots with serial architecture and flexibility localized at joints. The dynamic model parameters and a part of the joint stiffnesses are identified with the approach of output error which gives a satisfy estimation accuracy. According to identification, the RMS residue of the model is 3.2%. The second objective is to improve the robotization performance of manufacturing processes. A simulator was developed that contains the dynamic model of the flexible robot, the process models and the model of the robot controller including control laws in real time of axes and the trajectory generator. A nonlinear high-gains observer is proposed to estimate the complete states of robot system as well as the operation wrenches. Then the observer-based compensator is proposed to correct the positioning errors in real time. The experimental validation of industrial robots shows a satisfactory estimating performance of the observer. A precise FSW welding owing to the real-time compensation for the flexibility of manipulator has been done successfully.

La thèse propose un concept de microbancs optiques reconfigurables (MOEMS 3D hybrides) à base d'éléments microfabriqués et assemblés à l'aide d'une station robotique : ces nouveaux bancs optiques combinent les avantages du micro-assemblage robotique et des techniques de microfabrication sur silicium. Le positionnement fin des supports optiques sur un substrat s'effectue par une tâche de guidage. La réalisation d'une telle tâche à l'échelle micrométrique est une contribution majeure de la thèse. Elle a nécessité plusieurs avancées. L'absence de modèles fiables et de mesures disponibles pour des contacts plan/plan, un type de contact très fréquent en micro-assemblage, nous a conduit au développement d'un banc de mesure robotisé pour évaluer la force de pull-off. Ensuite, un système robotique équipé de préhenseur à deux doigts de serrage instrumentés a été mis en oeuvre pour mesurer simultanément la force de serrage et la force de contact latéral qui agit sur le micro-objet manipulé durant le guidage. Un modèle de l'évolution de la force de serrage lors de l'apparition de la force de contact latéral est présenté et confronté à une modélisation par éléments finis ainsi qu'à des résultats expérimentaux. Enfin, une stratégie de guidage est établie en prenant en compte la stabilité de la saisie et les spécificités du micromonde. Une commande hybride force/position est choisie pour automatiser le guidage par deux doigts instrumentés (GDDI). Elle a été mise en oeuvre avec succès sur un système robotique.

Les systèmes électroniques commutés sont de plus en plus utilisés dans plusieurs domaines domestiques ou industriels: les écrans à cristaux liquides, les appareils électroménagers, l'éclairage, les ordinateurs personnels, les centrales électriques, les véhicules de transport et ainsi de suite. L'efficacité des opérations de toutes les applications dépend du travail essentiel réalisé par des systèmes électroniques à commutation, dont le comportement est déterminé par une interconnexion et un contrôle appropriés des dispositifs analogiques et numériques. Comme motivation de ce travail, nous considérons les convertisseurs DC-DC de puissance. Cette thèse contribue à fournir des solutions aux problèmes de contrôle hybrides et non linéaires des plusieurs types de convertisseurs de puissance. Dans la première partie nous intéressons au problème de la régulation de la tension des convertisseurs de puissance fonctionnant dans le mode de conduction discontinue. Deux convertisseurs de puissance sont considérés: le convertisseur boost et le convertisseur buck-boost. L'objectif de commande est la génération d'une orbite périodique. Notre principale contribution est un algorithme simple et robuste qui donne des formules explicites pour les temps de commutation sans approximations. Les résultats de simulation et expérimentaux sont présentés. Dans la deuxième partie une classe de convertisseurs de puissance qui peut être globalement stabilisé avec un contrôleur PI a été identifiée. Par ailleurs, nous allons prouver que l'observateur I&I peut être combiné avec le contrôleur PI tout en préservant les propriétés de stabilité asymptotique globale de la boucle fermé. La classe se caractérise par une inégalité matricielle linéaire simple. Le nouveau contrôleur est illustré avec le convertisseur très - populaire, et difficile à contrôler, le SEPIC, pour lequel les résultats de simulation et expérimentaux sont présentés. / Switched electronic systems are used in a huge number of everyday domestic and industrial utilities: liquid crystal displays, home appliances, lighting, personal computers, power plants, transportation vehicles and so on. Efficient operations of all such applications depend on the essential “hidden work" done by switched electronic systems, whose behavior is determined by a suitable interconnection and control of analog and digital devices. As a motivation of this work, we consider the DC-DC power converters. This thesis contributes to provide hybrid and nonlinear control problem solutions to several types of power converters. In the first part we are interested in the problem of voltage regulation of power converters operating in discontinuous conducting mode. Two power converters are considered: the boost converter and the buck-boost converter. The system does not admit a (continuous--time) average model approximation, hence is a hybrid system where the control objective is the generation of a periodic orbit and the actuator commands are switching times. Our main contribution is a simple robust algorithm that gives explicit formulas for the switching times without approximations. Simulation and experimental results that illustrate the robustness of the scheme to parameter uncertainty, as well as performance comparisons with current practice, are presented. In the second part a class of power converters that can be globally stabilized with an output-feedback PI controller has been identified. Moreover, we will prove that the I&I observer can be combined with the PI controller preserving the GAS properties of the closed-loop. The class is characterized by a simple linear matrix inequality. The new controller is illustrated with the widely-popular, and difficult to control, single-ended primary inductor converter, for which simulation and experimental results are presented.

Cette thèse s’intéresse à la commande et l’observation d’une classe de systèmes linéaires à commutations (SLC). La classe considérée regroupe les systèmes pouvant être représentés par un modèle Hamiltonien à ports. Récemment, plusieurs travaux ont utilisé la théorie des systèmes dynamiques hybrides pour traiter les problèmes de stabilité, de commandabilité et d’observabilité des systèmes linéaires à commutations. Cependant, certains verrous scientifiques demeurent et nécessitent d’être levés tels que la synthèse d’observateurs pour des SLC présentant des modes de fonctionnement inobservables ou la commande hybride de systèmes possédant un nombre réduit d’entrées de commutations et un nombre élevé de variables d’état à contrôler. Dans ce travail, nous nous intéressons à la synthèse d’observateurs s’appuyant sur la modélisation moyenne et la modélisation hybride de SLC ayant une topologie Hamiltonienne à ports particulière. Ce formalisme possède les outils nécessaires pour établir des preuves de stabilité des erreurs d’observation. Dans un premier temps, nous proposons un observateur non linéaire reposant sur le modèle moyen de la classe des SLC considérée. Ensuite, nous traitons le problème de synthèse d’un observateur hybride où nous proposons un observateur commuté prenant en compte les modes de fonctionnement inobservables. Le problème de la commande des SLC est abordé par la suite. Au départ, la théorie de Lyapunov est utilisée pour proposer deux lois de commandes : La première est synthétisée à partir du modèle moyen et la deuxième exploite le modèle hybride. Une commande optimale hybride est élaborée en utilisant le principe du maximum de Pontryagin et une approche utilisant la recherche d’arcs singuliers. Finalement, une commande prédictive hybride est établie à partir d’un modèle discrétisé du système. Des résultats de simulation et une mise en œuvre expérimentale sur un convertisseur DC-DC SEPIC sont donnés pour montrer l’efficacité des méthodes proposées. L’étude d’un tel circuit est motivée par sa topologie particulière qui contient à la fois un mode de fonctionnement observable et un mode de fonctionnement inobservable. En outre, il possède une seule entrée de commutations et quatre variables d’état ce qui lui vaut la réputation être difficile à commander. / This thesis is dedicated to the control and the observation of a class of switched linear systems (SLS). This class contains the systems that can be represented by a port-Hamiltonian model. A lot of works have been studied SLS for several years using an average modeling approach. Recently, various works have shown that hybrid system theory allows to cope with stabilization, controllability, and observability problems of switched linear systems. However, several problems are still open and need more development such as the design of hybrid observers for SLS that have unobservable modes or the control of systems with reduced number of switching inputs and numerous variable states to control. In this work, we are interested in the design of state observers for a particular class of SLS using both the average and the hybrid port-Hamiltonian models. This formalism has the necessary tools to study and establish the stability of the observation errors. At the beginning, a nonlinear observer based on the average modeling is proposed. Next, a hybrid observer is designed for switched linear systems. This observer takes into account the unobservable operating modes of the system. The second point of our work concerns the design of control laws for the considered class of SLS. At first, two Lyapunov-based control laws have been established using either an average model or a hybrid model of the system. A hybrid optimal control based on the maximum principle of Pontryagin and the computation of singular arcs has been also proposed. Finally, a hybrid predictive control based on a discrete model of the system is synthesized. Simulation results and an experimental implementation on a SEPIC converter are given to show the efficiency of the proposed methods. Our motivation to study such a converter is mainly due to its particular topology that includes observable and unobservable subsystems. It is also known to be difficult to be controlled because only one switching input is used to control four state variables.

Cette thèse s'intéresse à la commande et l'observation d'une classe de systèmes linéaires à commutations (SLC). La classe considérée regroupe les systèmes pouvant être représentés par un modèle Hamiltonien à ports. Récemment, plusieurs travaux ont utilisé la théorie des systèmes dynamiques hybrides pour traiter les problèmes de stabilité, de commandabilité et d'observabilité des systèmes linéaires à commutations. Cependant, certains verrous scientifiques demeurent et nécessitent d'être levés tels que la synthèse d'observateurs pour des SLC présentant des modes de fonctionnement inobservables ou la commande hybride de systèmes possédant un nombre réduit d'entrées de commutations et un nombre élevé de variables d'état à contrôler. Dans ce travail, nous nous intéressons à la synthèse d'observateurs s'appuyant sur la modélisation moyenne et la modélisation hybride de SLC ayant une topologie Hamiltonienne à ports particulière. Ce formalisme possède les outils nécessaires pour établir des preuves de stabilité des erreurs d'observation. Dans un premier temps, nous proposons un observateur non linéaire reposant sur le modèle moyen de la classe des SLC considérée. Ensuite, nous traitons le problème de synthèse d'un observateur hybride où nous proposons un observateur commuté prenant en compte les modes de fonctionnement inobservables. Le problème de la commande des SLC est abordé par la suite. Au départ, la théorie de Lyapunov est utilisée pour proposer deux lois de commandes : La première est synthétisée à partir du modèle moyen et la deuxième exploite le modèle hybride. Une commande optimale hybride est élaborée en utilisant le principe du maximum de Pontryagin et une approche utilisant la recherche d'arcs singuliers. Finalement, une commande prédictive hybride est établie à partir d'un modèle discrétisé du système. Des résultats de simulation et une mise en œuvre expérimentale sur un convertisseur DC-DC SEPIC sont donnés pour montrer l'efficacité des méthodes proposées. L'étude d'un tel circuit est motivée par sa topologie particulière qui contient à la fois un mode de fonctionnement observable et un mode de fonctionnement inobservable. En outre, il possède une seule entrée de commutations et quatre variables d'état ce qui lui vaut la réputation être difficile à commander.

Dans une optique de maximisation de la production et de réduction des coûts d’installation, de maintenance et d’entretien des trackers solaires, qui permettent d’orienter les modules photovoltaïques à haute concentration (HCPV), ces travaux de thèse se focalisent sur l’amélioration de la précision et la réduction du coût de la stratégie de génération de la trajectoire du tracker. Dans un premier temps, un simulateur de tracker HCPV est développé offrant une étude de l’influence de la performance du suivi du soleil sur la production des modules HCPV, permettant ainsi une étude et une comparaison des stratégies de génération de trajectoires. Le simulateur est basé sur un modèle comportemental de module HCPV monté sur tracker permettant de prédire la puissance maximale du module HCPV en fonction de l’erreur de position du tracker face au soleil, de l’ensoleillement direct et de la température. Une première stratégie de commande dite de référence a été implémentée sur ce simulateur. C’est une commande hybride qui repose sur un viseur solaire pour corriger l’erreur de poursuite par un calcul astronomique. Ensuite, afin d’améliorer les performances et de réduire les coûts de cette stratégie, une nouvelle approche sans capteur est développée en se basant sur une méthode d’optimisation du gradient de puissance pour la génération de la trajectoire du tracker. Une étude complémentaire est également exposée afin de mettre en évidence des algorithmes de recherche de la puissance maximale (MPPT) pouvant offrir des temps de réponse suffisamment rapides pour ne pas affecter la qualité de l’évaluation du gradient de puissance. Dans ce contexte, une commande MPPT P&O améliorée par un réseau de neurones à complexité réduite est proposée, assurant un compromis entre précision, simplicité et rapidité / This work focuses on improving the accuracy and on reducing the cost of the tracker generating trajectory strategy, in order to maximize the production and to reduce the installation and the maintenance cost of a solar tracker orienting high concentrated photovoltaic modules (HCPV). Initially, we propose a behavioral modeling of the HCPV module mounted on a dual axis tracker in order to study the influence of the tracking performance on the module power production. Then, this simulator can be used to test control strategies and to compare their performance. Firstly, a classical control strategy is implemented in the simulator. It is based on a hybrid control operating an astronomical calculation to follow the sun path, and a sun sensor to correct the tracking error. A sensorless strategy is proposed in this work to reduce the cost of the HCPV tracker control. This strategy is based on a gradient optimization algorithm to generate the tracker trajectory and to catch the sun path. Tested on the simulator, this strategy presents the same accuracy as the classical strategy while being less costly. The last study proposed in this thesis work concerns maximum power point tracking (MPPT) algorithms, in order to respond to a given problem relating to the practical implementation of gradient algorithm. In this context, we propose an original optimization of the P&O MPPT control with a neural network algorithm leading to a significant reduction of the computational cost required to train it. This approach, which is ensuring a good compromise between accuracy and complexity is sufficiently fast to not affect the quality of the evaluation of the gradient.

Dans les entrepôts logistiques, les moyens robotiques sont de plus en plus fréquemment utilisés pour réduire les temps non productifs, déplacer des charges lourdes, limiter les risques d'erreurs pendant les opérations de préparation de commandes (picking, de/palettisation,...), faire des inventaires (drones,...) et améliorer les conditions de travail des opérateurs humains. Bien que l'homme reste incontournable pour les tâches de préparation de commande à cause de son adresse et de son aptitude à s'adapter à des tâches toujours différentes, l'augmentation de la productivité est souvent synonyme d'augmentation de la pénibilité au travail (troubles musculo-squelettiques,...). Les travaux de recherche présentés dans cette thèse sont une contribution à la robotisation des opérations de dé/palettisation pour des colis de taille variable qui exigent une grande polyvalence du système de préhension. La solution innovante que nous proposons consiste à utiliser un torse humanoïde équipé de deux bras manipulateurs munis de préhenseurs adaptés à la saisie d'objets de taille et de masse différentes. La principale contribution porte sur la conception d'une loi de commande hybride Force/Position-Position avec commutations, estimation du glissement de l'objet, prise en compte de la compliance et correction de la force de serrage pendant la manipulation. Cette solution suppose d'assurer la collaboration entre les deux bras manipulateurs et de s'adapter à l'environnement matériel et humain (cobotique). / In logistics warehouses, automation in the sense of robotization is frequently being employed to cut down production times by efficiently managing the processes of picking heavy loads, place, pack and palletize, while reducing the risks and errors to improve the working conditions of human operators along the way. The flexibility of human is fundamental for order preparation owing to adaptive skills for task variation, but at the same time increasing productivity is complemented with fatigue (musculoskeletal disorders). In this context the research presented in this thesis is a contribution in the robotization of palletization operations requiring exceptional versatility of manipulation and gripping. We have proposed an innovative solution of utilizing a humanoid torso equipped with two manipulator arms with adaptive grippers to grasp and hold the objects of variable size and mass. The main contribution of research is the development of a hybrid Force / Position-Position control law with commutation and estimation of the object surface slip, while taking into account the compliance and correction of the clamping force during handling. The execution of the control involves the collaboration of the two arms for coordinated manipulation and adaptation to the material and the human environment (cobotics).

La thèse propose l’utilisation d’une pince active instrumentée en force pour automatiser l’assemblage des MOEMS 3D hybrides. Chacun des doigts de la pince instrumentée est composé d’un actionneur piézo-électrique et d’un capteur de force piézorésistif intégré. Le capteur de force intégré présente des performances innovantes par rapport aux capteurs existants dans l’ état de l’art. Cette pince offre la possibilité de mesurer les forces de serrage appliquées par la pince pour saisir un micro composant et d’estimer les forces de contact entre le micro composant et le substrat de micro-assemblage.Un modèle dynamique et non linéaire est développé pour la pince instrumentée. Une commande hybride force/position est utilisée pour automatiser le micro-assemblage. Dans cette commande, certains axes sont commandés en position et les autres sont commandés en force. Pour les axes commandés en force, une nouvelle commande fondée sur une commande en impédance avec suivi de référence est proposée selon un principe de commande non linéaire par mode glissant avec estimation des paramétres en lignes. En utilisant le schéma de commande hybride force/position proposé, une automatisation de toutes les tâches de micro-assemblage est réalisée avec succès, notamment sur un composant flexible à guider dans un rail. / This work proposes the use of an active microgripper with sensorized end-effectors for the automationof the microassembly of 3D hybrid MOEMS. Each of the two fingers of the microgripper is composedof a piezoelectric actuator with an integrated piezoresistive force sensor. The integrated force sensorpresents innovative performances compared to the existing force sensors in literature. The forcesensors provide the ability to measure the gripping forces applied by the microgripper to grasp a microcomponentand estimated the contact forces between the microcomponent and the substrate ofmicroassembly. A dynamic nonlinear model of the microgripper is developed. A hybrid force/positioncontrol is used for the automation of the microassembly. In the hybrid force/position control formulation,some axes are controlled in position and others are controlled in force. For the force controlledaxes, a new nonlinear force control scheme based on force tracking sliding mode impedance controlis proposed with parameter estimation. Using the proposed hybrid force/position control scheme, fullautomation of the microassembly is performed, notably for the guiding of a flexible component in arail.