Premièrement, nous avons caractérisé les systèmes multi-entrées, affines par rapport aux contrôles, linéarisables dynamiquement via une pré-intégration d'un contrôle bien choisi. Ils forment une classe particulière de systèmes plats : ils ont un poids différentiel de n+m+1, où m est le nombre de contrôles et n est la dimension de l'état. Nous avons présenté des formes normales compatibles avec les sorties plates minimales et décrit toutes les sorties plates minimales. Nous avons appliqué nos résultats à plusieurs exemples. Deuxièmement, nous avons décrit les systèmes multi-entrées statiquement équivalents à une forme triangulaire compatible avec la forme multi-chaînée. Ensuite, la platitude de ces systèmes a été analysée et résolue. Nous avons discuté les singularités dans l'espace de contrôle et déterminé toutes les sorties plates. Nous avons appliqué ces résultats au système mécanique d'une pièce roulant sans glissement sur une table en mouvement. / Firstly, we study flatness of multi-input control-affine systems. We give a complete geometric characterization of systems that become static feedback linearizable after a one-fold prolongation of a suitably chosen control. They form a particular class of flat systems, that is of differential weight equal to n+m+l, where n is the dimension of the state-space and m is the number of controls. We illustrate our results by several examples. Secondly, we give a complete geometric characterization of systems locally static feedback equivalent to a triangular form compatible with the m-chained form. We analyze and solve their flatness. We discuss singularities and provide a system of first order PDE's to be solved in order to find all x-flat outputs. We illustrate our results by an application to a mechanical system: the coin rolling without slipping on a moving table.

L’objectif de ce manuscrit est de fournir une technique de commande tolérante aux défauts basée sur la platitude différentielle. Pour ce type de systèmes, il est possible de trouver un ensemble de variables, nommées sorties plates, tel que, les états et les entrées de commande du système puissent s’exprimer en fonction de ces sorties et d’un nombre fini de ses dérivées temporelles. Le bloc de détection et d’isolation doit assurer la détection du défaut le plus rapidement possible. Cette action est effectuée en exploitant la propriété de non-unicité des sorties plates. En effet, si un deuxième jeu de sorties plates peux être trouvé et si ce deuxième jeu n’est couplé avec le premier que par une équation différentielle, le nombre des résidus permettant la détection de défauts pourra être augmenté. La condition pour cela est que les deux jeux soient différentiellement couplés ce qui signifie qu’il existe une équation qui contienne des dérivées temporelles et qui couple un élément du premier jeu avec un élément du deuxième jeu de sorties plates. En conséquence le nombre de résidus disponibles pour la détection est supérieur au nombre que l’on aurait si on avait seulement un jeu des sorties plates.En ce qui concerne la reconfiguration, si le système plat satisfait les propriétés énumérées ci-dessus, nous obtiendrons autant de valeurs des états et des entrées que le nombre de jeux de sorties plates trouvés. En effet chaque entrée de commande et chaque état du système peuvent être recalculés en fonction des sorties plates. L’approche proposée fournit de cette manière un résidu prenant en compte une mesure calculée avec le vecteur plat contenant le défaut et une autre avec le vecteur plat libre de défaut. Les signaux redondants libres de défauts seront ainsi utilisés comme références du contrôleur de manière à ce que les effets du défaut soient masqués et ne rentrent pas la boucle de commande. Ceci sera utile pour fournir une stratégie de commande entièrement basée sur les systèmes plats.Les travaux présentés dans ce mémoire sont donnés sous l’hypothèse suivante: Les sorties plates sont fonctions de l’état du système, néanmoins dans ce manuscrit elles seront limitées à être directement une partie de l’état du système ou une combinaison linéaire d’entre eux. La boucle de commande est fermée avec un correcteur par retour d’état.Enfin pour les travaux réalisés en fin de manuscrit les sorties plates doivent pouvoir être mesurées ou reconstruites.Les défauts affectant les actionneurs sont considérés rejetés par le contrôleur, par conséquent la reconfiguration est seulement effectuée après la détection d’un défaut capteur.La faisabilité de l’approche proposée est analysée sur deux systèmes non linéaires, un drone quadrirotor et un système de trois cuves. / The objective of this Ph.D. work is to provide a flatness based active fault-tolerant control technique. For such systems, it is possible to find a set of variables, named flat outputs, such that states and control inputs can be expressed as functions of flat outputs and their time derivatives. The fault detection and isolation block has to provide a fast and accurate fault isolation. This action is carried out by exploiting the non-uniqueness property of the flat outputs. In fact, if a second set of flat outputs which are coupled by a differential equation of the first is calculated, bthe number of residues augments. Differentially coupled means that it exists an equation with time derivatives inside, that couple one element of the first set with one of the second. As a consequence of augmenting the number of residual signal more faults than in the one set case may be isolated.Regarding reconfiguration, if the flat system complies with the properties listed above, we will obtain versions of states and control inputs as much of flat output vectors, are found, because each control input and state is a function of the flat output. The proposed approach provides in this manner one measure related to a faulty flat output vector and one or more computed by using an unfaulty one. The redundant state signals could be used as reference of the controller in order to hide the fault effects. This will be helpful to provide an entirely flatness based fault-tolerant control strategy.The works presented in this manuscript are under the following hypothesis: The flat outputs are functions of the state of the system, however in this work the flat outputs are constrained to be states of the system or a linear combination of them.The control loop is closed with a state feedback controller.For purposes of this work flat outputs need to be measured.Faults affecting the actuators are considered rejected by the controller; by consequence reconfiguration is only carried out after a sensor fault occurs.Feasibility of the proposed approach is analyzed in two nonlinear plants, an unmanned quadrotor and a three tank system.

A mathematical model for a Two-Span Web Roller machine is defined in order to facilitate motion planning, motion tracking and state observer design for tracking web tension and web velocity. Differential Flatness is utilized to create reference trajectories that are tracked with a high convergence rate. Flatness also allows for nominal input torque generation without integration. Constraints on the inputs are satisfied through the motion planning phase. A partial state feedback linearization is performed and an exponential tracking dynamic feedback controller is defined. An exponential Kalman-related tension observer is also defined with semi-optimal gain formulation. The observer takes advantage of the bilinearity of the dynamics up to additive output nonlinearity. The closed-loop system is simulated in MatLab with comparisons to reference trajectories previously employed in literature. The importance of proper motion planning is demonstrated by producing excellent performance compared with existing tracking and tension observing methods.

A mathematical model for a Two-Span Web Roller machine is defined in order to facilitate motion planning, motion tracking and state observer design for tracking web tension and web velocity. Differential Flatness is utilized to create reference trajectories that are tracked with a high convergence rate. Flatness also allows for nominal input torque generation without integration. Constraints on the inputs are satisfied through the motion planning phase. A partial state feedback linearization is performed and an exponential tracking dynamic feedback controller is defined. An exponential Kalman-related tension observer is also defined with semi-optimal gain formulation. The observer takes advantage of the bilinearity of the dynamics up to additive output nonlinearity. The closed-loop system is simulated in MatLab with comparisons to reference trajectories previously employed in literature. The importance of proper motion planning is demonstrated by producing excellent performance compared with existing tracking and tension observing methods.

Les systèmes critiques de vol tels que les actionneurs électromécaniques ainsi que les calculateurs de commande moteur (ECU) et de vol (FCU),sont conçus en tenant compte des contraintes aéronautiques sévères de sureté defonctionnement. Dans le cadre de cette étude, une architecture calculateur pourla commande et la surveillance d’actionneurs moteur et de surfaces de vol est proposée et à fait l’objet d’un brevet [13]. Pour garantir ces mesure de sureté, les ECU et FCU présentent des redondances matérielles multiples, mais engendrent une augmentation de l’encombrement, du poids et de l’énergie consommée. Pour ces raisons, les redondances à base de modèles dynamiques, présentent un atout majeur pour les calculateurs car elles permettent dans certains cas de maintenir les exigences d’intégrité et de disponibilité tout en réduisant le nombre de capteurs ou d’actionneurs. Un rappel sur les méthodes de diagnostic par générateurs de résidus et estimateurs d’états [58, 26, 47] est effectué dans cette étude. Les propriétés de platitude différentielle et la linéarisation par difféomorphisme et bouclage endogène [80, 41, 73] permettent d’utiliser des modèles linéaires équivalents avec les générateurs de résidus. Un banc d’essai a été conçu afin de valider les performances des algorithmes de diagnostic. / Flight-Critical Systems such as Electromechanical Actuators driven by Engine Control Units (ECU) or Flight Control Units (FCU) are designed and developed regarding drastic safety requirements. In this study, an actuator control and monitoring ECU architecture based on analytic redundancy is proposed. In case of fault occurrences, material redundancies in avionic equipment allow certaincritical systems to reconfigure or to switch into a safe mode. However, material redundancies increase aircraft equipment size, weight and power (SWaP). Monitoring based on dynamical models is an interesting way to further enhance safetyand availability without increasing the number of redundant items. Model-base dfault detection and isolation (FDI) methods [58, 26, 47] such as observers and parity space are recalled in this study. The properties of differential flatness for nonlinear systems [80, 41, 73] and endogenous feedback linearisation are used with nonlinear diagnosis models. Linear and nonlinear observers are then compared with an application on hybrid stepper motor (HSM). A testing bench was specially designed to observe in real-time the behaviour of the diagnosis models when faults occur on the stator windings of a HSM.

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State estimation is an essential part of any robotic autonomy solution. Continuous-time trajectory estimation is an attractive method because continuous trajectories can be queried at any time, allowing for fusion of multiple asynchronous, high-frequency measurement sources. This dissertation investigates various continuous-time estimation algorithms and their application to a handful of mobile robot autonomy and sensor calibration problems. In particular, we begin by analyzing and comparing two prominent continuous-time trajectory representations from the literature: Gaussian processes and splines, both on vector spaces and Lie groups. Our comparisons show that the two methods give comparable results so long as the same measurements and motion model are used. We then apply spline-based estimation to the problem of calibrating the extrinsic parameters between a camera and a GNSS receiver by fusing measurements from these two sensors and an IMU in continuous-time. Next, we introduce a novel estimation technique that uses the differential flatness property of dynamic systems to model the continuous-time trajectory of a robot on its flat output space, and show that estimating in the flat output space can provide superior accuracy and computation time than estimating on the configuration manifold. We use this new flatness-based estimation technique to perform pose estimation for velocity-constrained vehicles using only GNSS and IMU and show that modeling on the flat output space renders the global heading of the system observable, even when the motion of the system is insufficient to observe attitude from the measurements alone. We then show how flatness-based estimation can be used to calibrate the transformation between the dynamics coordinate frame and the coordinate frame of a sensor, along with other sensor-to-dynamics parameters, and use this calibration to improve the performance of flatness-based estimation when six-degree-of-freedom measurements are involved. Our final contribution involves nonlinear control of a quadrotor aerial vehicle. We use Lie theoretic concepts to develop a geometric attitude controller that utilizes logarithmic rotation error and prove that this controller is globally-asymptotically stable. We then demonstrate the ability of this controller to track highly-aggressive quadrotor trajectories.

In the field of mobile robotics, many applications require feedback control laws that provide perfect path following. Previous work has shown that transverse feedback linearization is an effective approach to designing path following controllers that achieve perfect path following and path invariance. This thesis uses transverse feedback linearization and augments it with dynamic extension to present a framework for designing path following controllers for certain kinematic models of mobile robots. This approach can be used to design path following controllers for a large class of paths. While transverse feedback linearization makes the desired path attractive and invariant, dynamic extension allows the closed-loop system to achieve the desired motion along the path. In particular, dynamic extension can be used to make the mobile robot track a desired velocity or acceleration profile while moving along a path.

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