Le projet européen ANGELS a pour but de construire un robot anguille capable de naviguer par le sens électrique et de se scinder en plusieurs mono-agents pour des besoins d’exploration. Dans le cadre de ce projet, mon travail a consisté à élaborer un modèle de perception inspiré du poisson électrique, le challenge étant de faire de ce modèle un modèle de perception rapide et embarquable pour une détection en ligne par un engin sous-marin robotisé équipé du modèle. Deux modèles de perception ont été construits, s’appuyant tous deux sur une géométrie simple mais réaliste de capteur. Les deux modèles baptisés «modèle poly-sphérique » et « modèle des réflexions » provenant respectivement d’une intuition physique et d’une méthode mathématique appropriée se calibrent une fois pour toute avec un simulateur électrique, pourrevêtir in fine une forme analytique. Couplés aux modèles existant de réponses électriques d’objets, les modèles de perception ont permis de faire effectuer à un robot capteur des tâches basiques d’évitement et de détection, ce qui est à ce jour une première dans l’histoire. En parallèle, nous avons développé un formalisme générique de réponse d’objet permettant d’étendre le champ d’applicabilité des modèles de perception. Enfin, nous avons commencé à estimerl’impact d’une géométrie complexe de capteur présentant de larges surfaces isolantes sur la mesure pour envisager la modélisation du sens électrique par un capteur de forme arbitraire. / The goal of the European project ANGELS is to build an eel-like robot capable to navigate by the electric sense and to divide itself in several mono-agents for exploration purposes. In the context of this project my work consisted in creating a perception model inspired from the electric fish with the virtue of being fast and so, to be usable in-line. Two models of perception were built and were based on a simple but realistic geometry of sensor. The two models named after the « poly-spherical model » and the « reflexions model » which come respectively from a physical intuition and an appropriate mathematical model are calibrated once for all with an electrical simulator in order to have analytical forms. Coupled with models of the electrical response of objects, the two models of perception permit the robot to achieve some basic tasks like detection and obstacles’ avoidance, which is a novelty in the history. In addition we have built a generic formalism of theelectrical response that extents the application of the models of perception. Finally we have begun to estimate the influence of a complex geometry of sensor, that exhibs large insulating surfaces, on the measurement in order to open the way for the rapid modelling of a sensor of arbitrary shape.

Weakly electric fish use of a self-generated electric field to probe their environment, this behaviour is known as electrolocation. This study investigated two aspects of electrolocation in two species of knifefish (Apteronotus leptorhynchus and Eigenmannia virescens). First, we characterized the ability to track moving objects and found that tracking performance did not differ among speeds tested in either species. Second, we characterized a motion-related cue for distance perception, similar to visual parallax, for which rapidly moving objects would be perceived as closer than slowly moving objects. During tracking experiments, the fish remained centered between the moving objects. We hypothesized that the fish use electrosensory parallax to perform this centering behaviour. Thus, we predicted that if one object moved slightly slower than the other, the fish would perceive the slower-moving object as farther away, and would move towards the slower object to remain “centered.” Indeed, our results supported our hypothesis with E. virescens moving towards the slower object to an extent that increased with the relative decrease in speed.

Weakly electric fish use of a self-generated electric field to probe their environment, this behaviour is known as electrolocation. This study investigated two aspects of electrolocation in two species of knifefish (Apteronotus leptorhynchus and Eigenmannia virescens). First, we characterized the ability to track moving objects and found that tracking performance did not differ among speeds tested in either species. Second, we characterized a motion-related cue for distance perception, similar to visual parallax, for which rapidly moving objects would be perceived as closer than slowly moving objects. During tracking experiments, the fish remained centered between the moving objects. We hypothesized that the fish use electrosensory parallax to perform this centering behaviour. Thus, we predicted that if one object moved slightly slower than the other, the fish would perceive the slower-moving object as farther away, and would move towards the slower object to remain “centered.” Indeed, our results supported our hypothesis with E. virescens moving towards the slower object to an extent that increased with the relative decrease in speed.

Le projet européen ANGELS a pour but de construire un robot anguille capable de naviguer par le sens électrique et de se scinder en plusieurs mono-agents pour des besoins d'exploration. Dans le cadre de ce projet, mon travail a consisté à élaborer un modèle de perception inspiré du poisson électrique, le challenge étant de faire de ce modèle un modèle de perception rapide et embarquable pour une détection en ligne par un engin sous-marin robotisé équipé du modèle. Deux modèles de perception ont été construits, s'appuyant tous deux sur une géométrie simple mais réaliste de capteur. Les deux modèles baptisés "modèle poly-sphérique " et " modèle des réflexions " provenant respectivement d'une intuition physique et d'une méthode mathématique appropriée se calibrent une fois pour toute avec un simulateur électrique, pourrevêtir in fine une forme analytique. Couplés aux modèles existant de réponses électriques d'objets, les modèles de perception ont permis de faire effectuer à un robot capteur des tâches basiques d'évitement et de détection, ce qui est à ce jour une première dans l'histoire. En parallèle, nous avons développé un formalisme générique de réponse d'objet permettant d'étendre le champ d'applicabilité des modèles de perception. Enfin, nous avons commencé à estimerl'impact d'une géométrie complexe de capteur présentant de larges surfaces isolantes sur la mesure pour envisager la modélisation du sens électrique par un capteur de forme arbitraire.

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Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2005. / Vita. Includes bibliographical references.

Cette thèse concerne principalement la résolution des problèmes d’inversion dynamiquedans le cadre des systèmes dynamiques non linéaires. Ainsi, un ensemble de techniquesbasées sur l’utilisation des trains de mesures passées et sauvegardées sur une fenêtreglissante, a été développé. En premier lieu, les mesures sont utilisées pour générerune famille de signatures graphiques, qui constituent un outil de classification permettantde discriminer les diverses valeurs des variables à estimer pour un système non linéairedonné. Cette première technique a été appliquée à la résolution de deux problèmes : leproblème d’électolocation d’un robot doté du sens électrique et le problème d’estimationd’état dans les systèmes à dynamiques non linéaires. Outre ces deux applications, destechniques d’inversion à horizon glissant spécifiques au problème de diagnostic des défautsd’éoliennes dans le cadre d’un benchmark international ont été développées. Cestechniques sont basées sur la minimisation de critères quadratiques basés sur des modèlesde connaissance. / This thesis mainly concerns the resolution of dynamic inverse problems involvingnonlinear dynamical systems. A set of techniques based on the use of trains of pastmeasurements saved on a sliding window was developed. First, the measurements areused to generate a family of graphical signatures, which is a classification tool, in orderto discriminate between different values of variables to be estimated for a given nonlinearsystem. This technique was applied to solve two problems : the electrolocationproblem of a robot with electrical sense and the problem of state estimation in nonlineardynamical systems. Besides these two applications, receding horizon inversion techniquesdedicated to the fault diagnosis problem of a wind turbine proposed as an internationalbenchmark were developed. These techniques are based on the minimization of quadraticcriteria based on knowledge-based models.

Cette thèse aborde deux thématiques différentes. On s’intéresse d’abord au développement et à l’analyse de méthodes pour le sens électrique appliqué à la robotique. On considère en particulier la méthode des réflexions permettant, à l’image de la méthode de Schwarz, de résoudre des problèmes linéaires à partir de sous-problèmes plus simples. Ces deniers sont obtenus par décomposition des frontières du problème de départ. Nous en présentons des preuves de convergence et des applications. Dans le but d’implémenter un simulateur du problème direct d’électrolocation dans un robot autonome, on s’intéresse également à une méthode de bases réduites pour obtenir des algorithmes peu coûteux en temps et en place mémoire. La seconde thématique traite d’un problème inverse dans le domaine de la chimie quantique. Nous cherchons ici à déterminer les caractéristiques d’un système quantique. Celui-ci est éclairé par un champ laser connu et fixé. Dans ce cadre, les données du problème inverse sont les états avant et après éclairage. Un résultat d’existence locale est présenté, ainsi que des méthodes de résolution numériques. / This thesis tackle two different topics.We first design and analyze algorithms related to the electrical sense for applications in robotics. We consider in particular the method of reflections, which allows, like the Schwartz method, to solve linear problems using simpler sub-problems. These ones are obtained by decomposing the boundaries of the original problem. We give proofs of convergence and applications. In order to implement an electrolocation simulator of the direct problem in an autonomous robot, we build a reduced basis method devoted to electrolocation problems. In this way, we obtain algorithms which satisfy the constraints of limited memory and time resources. The second topic is an inverse problem in quantum chemistry. Here, we want to determine some features of a quantum system. To this aim, the system is ligthed by a known and fixed Laser field. In this framework, the data of the inverse problem are the states before and after the Laser lighting. A local existence result is given, together with numerical methods for the solving.