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.

La commande en position d'un système mécanique s'effectue toujours en présence d'une force de frottement sec plus ou moins importante. Cette force de frottement introduit un terme non linéaire et non linéarisable dans le système à régler. Elle est de plus dépendante de nombreux paramètres comme la vitesse, la température et les états de surface des pièces mécaniques. De ce fait, elle est souvent considérée comme une perturbation et différentes méthodes de commande linéaire dont les commandes GPS et LQG/LTR sont mises en oeuvre. Pour améliorer les performances de ces commandes, on se propose d'identifier en temps réel la caractéristique du frottement sec et de compenser, avec la commande, cette force perturbatrice. L'identification du frottement permet également de suivre l'usure du système et d'assurer sa maintenance...

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'assistance robotisée pour la chirurgie cardiaque à coeur battant. Une première contribution est la synthèse d'une nouvelle architecture d'asservissement visuel dans l'image en utilisant une commande prédictive non linéaire. Cette structure permet de respecter les contraintes du système en gérant simultanément la planification de trajectoire et le contrôle. La loi de commande a été validée sur une plate-forme robotique en vision standard. La structure a également été adaptée pour la vision échographique. Elle permet ainsi de contrôler les déplacements d'un outil en imposant que celui-ci respecte la contrainte d'intersection avec le plan échographique. Des expérimentations ont également permis de montrer l'efficacité de cette loi de commande. Cette seconde contribution s'intègre dans le cadre de l'assistance à la chirurgie cardiaque endovasculaire, et plus particulièrement la réparation de valve mitrale. Dans ce contexte, la localisation de la valve mitrale en temps réel est obtenue en utilisant une méthode qui repose sur la détection de la jonction entre la paroi et la valve et également d'un modèle à 2 ddl de la valve. L'algorithme proposé a été validé sur une séquence in vivo. Enfin, une estimation in vivo des déplacements 3D du coeur à partir des images endoscopiques a été proposée et représente une première étape d'un projet de compensation automatique des mouvements du coeur pour la chirurgie coronarienne.

Le contrôle précis des boucles de régulation existantes sur une machine frigorifique est essentiel à son bon fonctionnement. Il existe plusieurs méthodes de régulation parmi lesquelles on retrouve la plus ancienne et la plus connue : la commande PID (Proportionnelle, Intégrale et Dérivée). Malgré la simplicité apparente des relations mises en jeu, le régulateur PID est assez délicat à ajuster sur des processus présentant de fortes perturbations comme les installations frigorifiques. L'objectif du travail présenté est de mettre en œuvre une commande prédictive fonctionnelle (PFC) afin de réguler la surchauffe en sortie d'évaporateur, la pression de condensation et la puissance frigorifique sur une installation munie d'un compresseur à vitesse variable. L'utilisation d'une commande PFC nécessite de réaliser une prédiction de l'évolution à venir de la sortie du procédé. C'est un modèle interne qui fait office de modèle de connaissance. En assimilant le procédé à un système du premier ordre, la mise en œuvre de cette commande ne nécessite que trois paramètres : un gain statique, une constante de temps et un retard pur. L'originalité de la démarche développée a consisté à réaliser une modélisation physique de la machine afin de déterminer les paramètres précédents par une approche macroscopique. Une bibliothèque de modèles physiques a été élaborée permettant de simuler le comportement de différents évaporateurs, condenseurs, compresseurs ou vannes de détente. La commande développée a ensuite été implantée sur un automate industriel programmable et des expériences ont été réalisées sur deux machines différentes. La première est constituée de deux échangeurs à tubes et calandre et d'un compresseur à pistons, alors que la seconde comprend un évaporateur à plaques, une batterie à ailettes et un compresseur à vis.

Les centaines de millions de véhicules du parc automobile mondial nous rappellent à quel point notre société dépend du moteur à combustion interne. Malgré des progrès significatifs en termes d'émissions polluantes et de consommation, les moteurs à essence et diesel demeurent l'une des principales sources de pollution de l'air des centres urbains modernes. Ce constat motive les autorités à renforcer les normes anti-pollution, qui tendent à complexifier la définition technique des moteurs. En particulier, un nombre croissant d'actionneurs fait aujourd'hui, du contrôle de la chaîne d'air, un challenge majeur. Dans un marché de plus en plus mondialisé et où le temps de développement de moteurs se doit d'être de plus en plus court, ces travaux entendent proposer une solution aux problèmes liés à cette augmentation de la complexité. La proposition repose sur une approche en trois étapes et combine : modélisation physique du moteur, contrôle prédictif non linéaire et programmation multiparamétrique. Le cas du contrôle de la chaîne d'air d'un moteur à essence suralimenté sert de fil conducteur au document. Dans son ensemble, les développements présentés ici fournissent une approche quasi-systématique pour la synthèse du contrôle de la chaîne des moteurs à essence suralimentés. Intuitivement, le raisonnement doit pouvoir être étendu à d'autres boucles de contrôle et au cas des moteurs diesel.

Une vallée hydroélectrique est constituée d'un nombre important de centrales interconnectées du fait de l'utilisation de la même ressource en eau. Pour pouvoir optimiser en temps réel sa production, il a été proposé dans cette thèse d'utiliser les méthodes associées aux systèmes à grande échelle pour développer les outils nécessaires. Cette étude de la commande globale du système a été orientée vers l'utilisation des méthodes de décomposition-coordination. Ces méthodes ont été examinées et appliquées à un cas d'étude simplifié (une partie de la vallée hydraulique) mis à disposition par EDF. Plus particulièrement, les méthodes de décomposition-coordination par les prix, ou encore par les prédictions des interactions, s'appuyant sur des commandes MPC, ont été considérées et comparées avec une commande centralisée. En vue d'une implémentation temps-réel, nous nous sommes intéressés à exprimer les problèmes d'optimisation comme des problèmes QP, pour ensuite obtenir des solutions explicites en utilisant une méthodologie de caractérisation géométrique. Nous avons proposé des formulations complètement explicites (niveau coordinateur et sous-systèmes) pour les deux méthodes. Des résultats de simulation avec des données réelles mises à disposition par EDF sont présentés. Afin de valider les méthodes conçues, une première phase d'implantation sur la plate-forme Supervision NG d'EDF permettant la communication avec un modèle de la vallée hydroélectrique (basé sur les équations de Saint Venant et la bathymétrie de la rivière), est enfin incluse dans ce mémoire.

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.

Cette thèse concerne le développement de nouvelles stratégies de contrôle d’unréfrigérateur cryogénique soumis à de fortes variations de charge thermique. De telles perturbationsvont se rencontrer lors du refroidissement des aimants supraconducteurs des futurs réacteurs defusion (tokamak JT-60SA par exemple).La modélisation d’un réfrigérateur de test, offrant une capacité de refroidissement de 800Wà 4.5K, a été effectuée sous le logiciel Matlab/Simulink. Celle-ci est basée sur les équationsthéoriques de la thermodynamique, de la thermique et de l’hydraulique et prend en compte lespropriétés non linéaire de l’hélium à basse température.A partir de ce modèle, une stratégie de contrôle multivariable a été proposée sur les deuxparties du réfrigérateur : la station de compression et la boîte froide. Les résultats expérimentauxmontrent de nettes améliorations et une plus grande stabilité du réfrigérateur en présence decharges pulsées par rapport à la stratégie initiale (PI).Un observateur de la charge thermique du bain d’hélium liquide a également été développé.Le modèle utilisé est construit par identification à partir de mesures internes au réfrigérateur. Ilpourrait servir comme outil de surveillance aux opérateurs. / This thesis is concerned with the development of a novel control scheme on a heliumrefrigerator subject to high pulsed loads. Such disturbance will happen during the cooling of thesuperconductive magnet, used in tokamak configuration.A dynamical model of a cryogenic station, which offers a cooling capacity of 800W at4.5K, has been produced. The modelling is based on the theoretical equations of thermodynamics,thermal physics and hydraulics and takes into account the non linear properties of helium at lowtemperature.Based on this model, a new control strategy has been developed for each of the two parts ofthe refrigerator: the warm compression system and the cold box. Experimental results showsignificant improvement with multivariable controllers as compared with the PIDs in the presenceof high pulsed loads.An observer of the thermal load of the helium bath has also been developed. The model isconstructed by identification using internal measures of the refrigerator. It can be used as conditionmonitoring tool for operators.

Un grand nombre de traitements sont aujourd'hui disponibles pour la cancérologie, dont l'objectif est d'éliminer tous les tissus cancéreux en minimisant les dommages occasionnés sur les tissus sains. La chimio-embolisation est considérée comme un régime de traitement localisé, préconisé pour certains cancers. Cependant, le ciblage des tumeurs profondément enfouies par chimio-embolisation est actuellement limité en raison de la taille des cathéters. Compte tenu des échelles envisagées, l'utilisation des microrobots magnétiquement guidés est l'une des approches les plus prometteuses. L'objectif de cette thèse consiste à développer les outils permettant à des microrobots endovasculaires (ou transporteurs magnétiques), de naviguer dans le corps humain, en utilisant les gradients magnétiques d'un appareil IRM clinique amélioré. Pour cela, une compréhension approfondie de l'environnement d'évolution du microrobot est une étape au préalable, en vue d'établir des stratégies de navigation adéquates. La variation des paramètres physiologiques de l'humain et l'utilisation d'un scanner IRM nécessitent d'une part, une robustesse du contrôleur vis-à-vis des erreurs de modélisation, et d'autre part, l'anticipation du comportement du système. A cet effet, la commande prédictive, trouve ici toute son efficacité pour résoudre les problèmes de poursuite. En outre, une plateforme d'instrumentation a été conçue au sein du laboratoire en vue de démontrer les concepts proposés, et de valider les stratégies de navigation prédictives développées dans nos travaux. Puis, dans un deuxième temps, nous avons intégré ces approches dans une plateforme d'IRM clinique. / Today, many cancer treatments are available, whose goal is to kill the cancerous tissue and to minimize damage to healthy tissue. Chemoemobilization is considered as a targeting treatment recommended for some cancers. However, targeting tumor deeply buried using chemoemobilization is currently limited due to the size of the microcatheters. Taking into account the scales considered, the use of magnetically guided microrobots is one of the most promoting approaches. The objective of this thesis is to develop tools for endovascular microrobots (or carriers), navigate in the human body using magnetic gradients of an improved clinical MRI. For this, understanding microrobot evolution environment is a first step, in order to develop appropriate navigation strategies. The variation of the human physiological parameters and the use of MRI scanner require a robustness of the controller to the modeling errors, and the anticipation of the system behavior. For this, predictive control is fully effective to solve the tracking problem. In addition, an instrumentation platform was designed to demonstrate the proposed concepts and to validate the predictive navigation strategies developed in our work. Then, in a second step, we investigated these approaches in clinical MRI platform.