The design of the control laws governing the behavior of individual agents is crucial for the successful development of cooperative agent teams. These control laws may utilize a combination of local and/or global knowledge to achieve the resulting group behavior. A key difficulty in this development is deciding the proper balance between local and global control required to achieve the desired emergent group behavior. This paper addresses this issue by presenting some general guidelines and principles for determining the appropriate level of global versus local control. These principles are illustrated and implemented in a "keep formation'' cooperative task case study.

Les structures aérospatiales sont de plus en plus légères, ce qui les rend sensibles aux vibrations. Pour ces structures le frottement pourrait fournir plus d’amortissement que les polymères d’une part à cause des températures extrêmes de fonctionnement (<-20°C et >100°C) et d’autre part parce qu’il est plus efficace que les absorbeurs actifs ou passifs à masse ajoutée qui ne sont pas adaptés aux problèmes sur larges bandes de fréquence, qui comprennent plusieurs fréquences propres. Pour que l’amortissement induit par frottement soit efficace, il faut asservir la charge normale aux amplitudes vibratoires. Le premier objectif de la thèse est de définir un coefficient indicateur de la capacité du changement des forces normales de serrage de vis à contrôler les niveaux vibratoires. Ce coefficient sera un outil de dimensionnement des structures réelles à contrôler. Le deuxième objectif est de concevoir des lois de contrôle semi-actif de la force de serrage pour des régimes libre et forcé d’un problème modal à deux degrés de liberté. L’objectif final est de concevoir un dispositif pouvant s’intégrer à une structure assemblée pour contrôler la charge normale dans les liaisons et de tester expérimentalement l’efficacité des lois de contrôle conçues pour une structure académique ou industrielle. Le contrôle des forces de serrage s’effectue avec l’utilisation des patchs piézoélectriques. / Because of their lightness the aerospace structures are vulnerable to vibrations whose the amplitudes need to be mitigated through the active and the semi active methods. For extreme temperatures (<20oC and > 100oC), Coulomb friction might provide more structural damping than polymers. Nevertheless, there is a consensus to say that these friction-damping values are often lower than 5%. Moreover friction damping is amplitudedependent. Therefore, engineers have to tune the normal load in order to get the maximum damping for the average vibration level. The first objective of the thesis is to define a coefficient indicator of the ability of the tightening force to control the vibration levels. This coefficient is a design tool of real structures witch need controlling. The second objective is to design semi-active control laws of the clamping force for free and forced modal problem of two degrees of freedom. The ultimate goal is to design a device that can be integrated to an assembly structure for controlling the normal load in the joints and then experimentally test the effectiveness of the laws control for an academic or an industrial structure. The tightening control forces is effected with the use of piezoelectric patches.

Closing the control loop of a manipulator robot with vision feedback is widelyknown. It concerns nowadays all areas of robotics. Such a return can make a comparison between a desired state and current state, using visual measurements. The main objective of this doctoral thesis is to design several types of kinematic control laws for stereo visual servoing. It strongly involves the formalism of the task function which is a well-known and useful mathematical tool to express the visual error as a function of state vectors.We have investigated the decoupling between the rotational and translational velocities control laws together with the epipolar constraint with a stereo visual feedback.That is why, the visual measurements and features used in this thesis are the 3Dstraight lines.The interests of this type of visual features rely on the robustness against the noise, and the possibility to represent straight lines or other features like points or planes pairs by the Plücker coordinates, as a 3D straight line can be represented as well by two points or the intersection of two planes. This makes all the control laws designed in this thesis valid for another visual features like points

Dans cette thèse nous avons étudié différents aspects pour le contrôle de systèmes hyperboliques.Tout d'abord, nous nous sommes intéressés à des systèmes hyperboliques à commutations. Cela signifie qu'il existe une interaction entre une dynamique continue et une dynamique discrète. Autrement dit, il existe différents modes dans lesquels peut évoluer la dynamique continue: ces modes sont dictés par la dynamique discrète. Ce changement de mode peut être contrôlé (dans le cas d'une boucle fermée), ou non-contrôlé (dans le cas d'une boucle ouverte). Nous nous sommes intéressés au premier cas. Par une analyse Lyapunov nous avons construit trois règles de commutations capables de stabiliser le système. Nous avons montré comment modifier deux d'entre elles pour obtenir des propriétés de robustesse et de stabilité entrée-état. Ces règles de commutations ont été testées numériquement.Ensuite, nous avons considéré la génération de trajectoire pour des systèmes hyperboliques linéaires 2x2 par backstepping. L'étape suivante a été de considérer une action Proportionnelle-Intégrale pour stabiliser la solution du système autour de la trajectoire de référence. Pour cela nous avons construit une fonction Lyapunov non-diagonale. Nous avons montré que l'action intégrale est capable de rejeter des erreurs distribuées et frontières.Enfin, nous avons considéré des aspects numériques pour l'analyse Lyapunov. Les conditions pour la stabilité et la conception de contrôleurs obtenues par des fonctions de Lyapunov quadratiques font intervenir une infinité d'inégalités matricielles. Nous avons montré que cette complexité peut être réduite en considérant une sur-approximation polytopique de ces contraintes.Les résultats obtenus ont été illustrés par des exemples académiques et des systèmes dynamiques physiques (comme les équations de Saint-Venant et les équations de Aw-Rascle-Zhang). / In this thesis we have considered different aspects for the control of hyperbolic systems.First, we have studied switched hyperbolic systems. They contain an interaction between a continuous and a discrete dynamics. Thus, the continuous dynamics may evolve in different modes: these modes are imposed by the discrete dynamics. The change in the mode may be controlled (in case of a closed-loop system), or may be uncontrolled (in case of an open-loop system). We have focused our interest on the former case. We procedeed with a Lyapunov analysis, and construct three switching rules. We have shown how to modify them to get robustness and ISS properties. We have shown their effectiveness with numerical tests.Then, we have considered the trajectory generation problem for 2x2 linear hyperbolic systems. We have solved it with backstepping. Then, we have considered the tracking problem with a Proportionnal-Integral controller. We have shown that it stabilizes the error system around the reference trajectory with a new non-diagonal Lyapunov function. The integral action has been shown to be able to reject in-domain, as well as boundary disturbances.Finally, we have considered numerical aspects for the Lyapunov analysis. The conditions for the stability and design of controllers by quadratic Lyapunov functions involve an infinity of matrix inequalities. We have shown how to reduce this complexity by polytopic embeddings of the constraints.Many obtained results have been illustrated by academic examples and physically relevant dynamical systems (as Shallow-Water equations and Aw-Rascle-Zhang equations).

L'emploi d'un retour visuel dans le but d'effectuer une commande en boucle fermée de robot s'est largement répandu et concerne de nos jours tous les domaines de la robotique. Un tel retour permet d'effectuer une comparaison entre un état désiré et l'état actuel, à l'aide de mesures visuelles. L'objectif principal de cette thèse consiste à concevoir plusieurs types de lois de commande cinématiques par vision stéréo. Ceci concerne aussi l'étude de la stabilité du système en boucle fermée et la convergence des fonctions de tâche. C'est essentiellement le découplage des lois de commandes cinématiques en rotation et en translation qui est recherché ici, selon le nombre d'indices visuels considérés.Les mesures visuelles utilisées dans cette thèse sont les lignes droites 3D. Les intérêts apportés à ce type de mesures visuelles sont la robustesse contre le bruit, et la possibilité de représenter d'autres primitives comme des couples de points ou de plans par la modélisation de Plücker. / Closing the control loop of a manipulator robot with vision feedback is widelyknown. It concerns nowadays all areas of robotics. Such a return can make a comparison between a desired state and current state, using visual measurements. The main objective of this doctoral thesis is to design several types of kinematic control laws for stereo visual servoing. It strongly involves the formalism of the task function which is a well-known and useful mathematical tool to express the visual error as a function of state vectors.We have investigated the decoupling between the rotational and translational velocities control laws together with the epipolar constraint with a stereo visual feedback.That is why, the visual measurements and features used in this thesis are the 3Dstraight lines.The interests of this type of visual features rely on the robustness against the noise, and the possibility to represent straight lines or other features like points or planes pairs by the Plücker coordinates, as a 3D straight line can be represented as well by two points or the intersection of two planes. This makes all the control laws designed in this thesis valid for another visual features like points

Les techniques d’usinage avancées sont un élément indispensable du développement des industries manufacturières. L’une de ces techniques, l’usinage à grande vitesse, constitue le sujet principal de cette thèse de doctorat. Ainsi, l’objectif majeur des travaux vise à améliorer la précision de contour dans le contexte de l’usinage multiaxes à grande vitesse de surfaces de forme libre, en agissant directement au niveau des boucles de commande d’axe. Pour cela, une première étape consiste à élaborer une stratégie permettant d’estimer le plus précisément possible l’erreur de contour pour différentes configurations de l’outil. Cette erreur de contour est ensuite minimisée grâce à l’adaptation hors ligne, pour un profil de pièce donné, des gains proportionnel et d’anticipation des régulateurs des boucles d’asservissement de la position de chaque axe. L’adaptation de ces gains est réalisée via un algorithme d’optimisation à l’aide d’un modèle non-linéaire du comportement de la machine, en considérant en particulier les frottements sur chacun des axes. L’optimisation permettant d’obtenir les gains des correcteurs des boucles de régulation tient compte des contraintes en termes de limitations cinématiques des axes (vitesse, accélération et jerk), de stabilité des boucles d’asservissement et de limites au niveau des courants des moteurs. Afin d’en faciliter la mise en oeuvre dans un cadre industriel, les stratégies développées s’avèrent directement implantables au sein des commandes numériques actuellement sur le marché, exploitant toutes les possibilités de la structure de commande classique de l’entraînement d’axe. / The advanced machining techniques are always the backbone of the manufacturing industries. Among such techniques, high speed machining is the main subject of this PhD thesis. Indeed, the main objective of this work is to improve the contouring accuracy in multi-axis high speed machining of free-form surfaces, directly acting inside the axis control loops. To do that, a first step aims at elaborating a strategy to estimate as accurately as possible the contour error for different tool configurations. This contour error is then minimized by means of an off-line adaptation for a given profile of the proportional and feedforward gains of the axis position loop controllers. This gain adaptation is performed via an optimization algorithm that considers a nonlinear model of the machine behaviour, in particular including friction related to each axis. This optimization leading to the controllers gains takes into account several constraints, including the axis kinematic (velocity, acceleration and jerk) limitations, the stability of the controlled loops and the motor current limits. Finally, to help their integration within an industrial framework, the developed strategies can be directly implemented in commercial CNC, by exploiting all possibilities of the classical control structure of axis drive.

L'optique adaptative (OA) permet de corriger en temps réel les déformations du front d'onde induites par la turbulence atmosphérique. Cependant, cette technique aujourd'hui mature connaît une limitation fondamentale : l'anisoplanétisme. Pour y pallier, différents concepts d'OA grand champ ont été développés. La turbulence est alors mesurée dans plusieurs directions afin de l'estimer tomographiquement. Ces systèmes soulèvent des problématiques spécifiques, telles que leurs processus d'étalonnage et leur contrôle temps réel au moyen de lois de commande tomographiques. Mes travaux de recherche ont consisté à modifier et optimiser le banc OA grand champ de l'Onera pour ensuite y implanter et comparer différentes loi de commande tomographiques envisagées pour les futurs instruments. Pour cela, une caractérisation et une implantation de nouveaux composants ont été effectuées, et j'ai développé une procédure d'identification de paramètres système dans un objectif double: alignement du banc et optimisation de lois de commande. Quatre lois de commande, explorant la diversité des solutions proposées, sont ensuite étudiées, du simple reconstructeur moindre carré à la commande optimale linéaire quadratique gaussienne, en passant par des approches de type pseudo boucle ouverte ou miroir déformable virtuel. Pour chacune, une optimisation des facteurs de réglage est effectuée, et une performance en fonction du champ est établie, ce pour plusieurs valeurs de rapport signal à bruit. Les résultats expérimentaux sont mis en regard avec les résultats obtenus par simulation, et les lois de commande sont comparées ensuite en terme de performance, robustesse et simplicité de mise en œuvre. / Adaptive Optics (AO) provides a real-time correction of the atmospheric turbulence effects. This technique is now well mastered; nonetheless it is limited by the anisoplanatism effect. Wide Field AO concepts have been developed to overcome this limitation. Turbulence is probed in several directions in order to perform a tomographic reconstruction of the turbulent volume. These complex systems raise critical challenges such as tomographic control and calibrations.My PhD work is focused on implementation and comparison of different tomographic control schemes developed in the perspective of future systems, after an optimisation of the Onera wide field AO bench. Calibration and integration of new components have been performed, and I have developed a method to identify system parameters with a twofold goal: bench alignment and control laws optimisation. Four control schemes have been studied, exploring the proposed solutions, from the simplest least-square to the optimal linear quadratic gaussian solutions including virtual deformable mirror and pseudo open loop approaches. In each case, an optimisation of tuning factors is performed and low and high noise conditions are explored, for several different fields of views. Experimental results are compared to numerical ones and control laws are analyzed in term of performance, robustness and implementation simplicity.

Les travaux présentés ici proposent des convertisseurs d’énergie à haut rendement et très large dynamique de tension d’entrée, c'est-à-dire capables de fonctionner avec un rendement énergétique élevé sur une plage de tension d’entrée étendue (typiquement de 9V à 200V). De multiples tensions de réseaux sont standards dans l’industrie : elles sont spécifiques à un domaine (aéronautique, ferroviaire, …) et dépendent de la source primaire d’alimentation électrique (batterie d’accumulateurs, génératrice, …). Au sein d’un équipement embarqué, plusieurs réseaux peuvent cohabiter : une alimentation principale 110V et une alimentation de secours sur batterie 12V, par exemple. Le besoin de convertisseurs large dynamique d’entrée est donc une réalité, mais il n’existe sur le marché que peu de convertisseurs capables de réaliser une dynamique d’entrée supérieure à dix. Dans un premier temps, nous avons étudié les enjeux et les problématiques liés à la large dynamique d’entrée, afin de mieux cerner les limitations des topologies de puissance classiques. Nous avons ensuite traité le cas d’une architecture de conversion d’énergie de type série, dont nous avons amélioré le rendement énergétique grâce à l’utilisation de circuits d’aide à la commutation. Cette solution ayant des performances limitées, nous avons proposé de nouvelles architectures de convertisseurs DC/DC, de type parallèle, capables de supporter des dynamiques de tension d’entrée supérieures à vingt et ayant un rendement énergétique élevé (supérieur à 80%). Nous avons également étudié et mis en œuvre des stratégies de commande, numériques et analogiques, permettant de contrôler ces nouvelles topologies complexes. / Power converters are present in virtually every embedded system, but many standards of DC networks exist: the supply voltage is depending on how the power is generated (battery, alternator …) and can range from 12V to more than 115V. When an equipment must comply with a 110V main supply and 12V back-up supply, the use of a wide input voltage range DC/DC converter is mandatory. Since classical switched mode power converters cannot achieve simultaneously high efficiency and wide input voltage range, manufacturers rarely propose DC/DC converters with an input voltage range greater than 10. This work tackles the issue of wide input voltage power conversion. After discussing about designs trade off and problems that stem from a wide input range, we try to improve the overall efficiency of a classical buck-boost converter, by using non dissipative switching-aid circuits. We also proposed a novel two stages power converter capable of dealing with very wide input voltage ranges (more than 20), without a reduction of the power efficiency. Since those new converters are far more difficult to control, some theoretical analysis was performed and some practical tests were done using complex controls laws.

Un moteur Ericsson est un moteur alternatif à apport de chaleur externe fonctionnant selon un cyclethermodynamique de Joule. Ce type de moteur est particulièrement intéressant pour la valorisationde certaines "sources chaudes" (l'énergie solaire, la biomasse, les effluents gazeux chauds...).Dans cette thèse, une configuration innovante de moteur est proposée. Celle-ci permet d'une part,de s’affranchir du problème d’étanchéité autour des pistons des moteurs Ericsson, par l'usage despistons liquides en lieu et place des pistons mécaniques et d'autre part, de simplifier le système dedistribution mécanique des moteurs conventionnels par l'usage de soupapes commandéesparticulières, dont l'ouverture est déclenchée par contact avec le piston. Ce type de moteur estadapté pour la production d'électricité de petite puissance (jusqu'à... 10 kW).Trois lois différentes de commande des soupapes du cylindre de détente du moteur à air chaudproposé sont étudiées et leurs influences sur la conception et les performances énergétiques dusystème sont présentées. En raison de la masse importante d'eau dans le système, un modèle quiprend en compte la dynamique des colonnes de liquide est développé. Ce modèle permet de prédireles performances d'un premier prototype expérimental.Un prototype de machine de détente a ensuite été conçu et réalisé dans notre laboratoire. Uneprésentation du prototype et du banc d'essai est faite, et les résultats d'un essai préliminaire sontprésentés. Malgré le caractère préliminaire de ces résultats, ils sont très encourageants car d'unepart, ils n'ont pas révélés de problèmes techniquement délicats à résoudre, et d'autre part ils ontpermis de tirer de nombreux enseignements pour la suite des travaux à mener sur le prototype. / An Ericsson engine is a reciprocating external heat input engine operating on a Joule thermodynamiccycle. This type of engine is particularly interesting for the valorization of certain "hot sources" (solarenergy, biomass, hot gaseous effluents ...).In this thesis, an innovative engine configuration is proposed. This allows, on the one hand, toovercome the problem of tightness around the pistons of Ericsson engines, by the use of liquidpistons instead of mechanical pistons and on the other hand, to simplify the mechanical distributionsystem of conventional engines by the use of particular actuated valves, whose opening is triggered by contact with the piston. This type of motor is suitable for the production of electricity of smallpower (up to... 10 kW).Three different valve command laws for the proposed hot air motor expansion cylinder are studiedand their influences on the design and energy performance of the system are presented. Due to thelarge amount of water in the system, a model that takes into account the dynamics of the liquidcolumns is developed. This model makes it possible to predict the performances of a firstexperimental prototype.A prototype of the expansion machine was then designed and built in our laboratory. The prototypeand the test bench are presented together with the preliminary test results. Despite the preliminarynature of these results, they are very encouraging because, on the one hand, they have not revealedany technically difficult problems to be solved, and on the other hand they have made it possible todraw many lessons for the further work to be done lead on the prototype.

La prochaine génération d’avions civil sera probablement une révolution en termede configuration d’avion, différant largement de l’architecture désormais classique “fuselage- ailes- moteurs sous voilure”. Du point de vue des qualités de vol, la tendance actuelle est d’évoluer versdes avions de moins en moins stables, à la fois en longitudinal et latéral. Il est dès lors probableque les futurs avions ne seront pas directement contrôlables par un humain sans l’apport de lois decommande stabilisantes. Il devient alors nécessaire de considérer l’apport des systèmes de commandesde vol très tôt dans la conception de l’avion, notamment pour le dimensionnement desempennages, gouvernes et actionneurs, contrairement au processus actuel qui ne prend principalementen compte que des critères “boucle ouverte” d’équilibre en phase de conception préliminaire.Plutôt qu’un processus itératif de dimensionnement puis synthèse de lois de commande, nousproposons d’optimiser simultanément les tailles de gouvernes, actionneurs et commandes de volen tenant compte des instabilités longitudinales et latérales, ainsi que des contraintes industriellessur la structure de correcteurs, sur un cas d’application de type aile volante. Ce processus de“co-design” permet de dimensionner des paramètres physiques de l’avion en tenant compte desapports d’une boucle de retour pour contrer des perturbations externes telles que de la turbulenceatmosphérique, permettant un avion plus sûr et optimal. / Next generation of civil transport aircraft is likely to be a radical change in overallconfiguration compared to traditional tube-and-wing design. From a handling qualities perspective,current trend in modern airliners is to evolve towards more and more unstable aircraft, bothfrom longitudinal and lateral-directional point of view. As a consequence future aircraft may notbe controllable by human operator without stabilizing control laws. It then becomes necessaryto consider flight control systems contribution early in the design phase for control surfaces,empennages and actuators sizing, as opposed to traditional way of working dealing only withopen-loop criteria for preliminary sizing. Instead of an iterative process of sizing and controllaws synthesis, we propose to concurrently optimize control surfaces, actuators and flight controllaws taking into account longitudinal and lateral instability as well as industrial structure forcontrollers, for unstable configurations such as Blended Wing-Body (BWB). This “co-design”procedure enables sizing of physical aircraft parameters taking into account benefits from feedbackstabilization for counteracting external disturbance such as atmospheric turbulence, thus leadingto safer and more optimal aircraft configurations.