L'un des défis fondamentaux de la robotique d'aujourd'hui est d'obtenir des cartes robustes en utilisant des mécanismes efficaces pour l'exploration et la modélisation des environnements toujours plus complexes. Ce problème est connu comme celui de la planification, de la localisation et de la cartographie simultanée (SPLAM).Dans cette thèse nous avons développé des outils pour obtenir une stratégie de SPLAM. D'abord, l'exploration est faite par le graphe d'exploration aléatoire (REG) basé sur la création d'une structure de graphe et sur un contrôle de frontières. Ensuite, le problème de localisation et de cartographie simultanée (SLAM) est résolu avec une stratégie topologique basée sur des B-Splines. Pour valider notre stratégie, nous avons créé une autre approche de SPLAM basée sur des outils connus comme le Filtre de Kalman étendu pour le SLAM et sur l'arbre aléatoire (SRT) pour l'exploration. Ces résultats sont comparés avec les résultats de notre stratégie. / One of the fundamental challenges of today's robotics is to obtain robust maps using efficient mechanisms for exploring and modeling increasingly complex environments. This is known as simultaneous planning, localization and mapping (SPLAM) problem.Considering this problem, in this thesis we have developed some tools to obtain a SPLAM strategy. First, the exploration is made by the Random Exploration Graph approach (REG) which is based on the creation of a graph structure and on a frontier control. Next, the simultaneous localization and mapping (SLAM) problem is solved using a B-Spline based topologic strategy. To validate our strategy, we have created another SPLAM approach based on well known tools as the Extended Kalman Filter for SLAM and on the Sensor based Random tree (SRT) for the exploration problem. Its results are confronted with the results obtained by our strategy.

Dans un contexte comme celui des technologies aérospatiales, qui se caractérise non seulement par sa complexité, mais aussi par sa difficulté à régler les erreurs une fois que le véhicule est dans son environnement final, l’utilisation des simulateurs de satellite sur Terre pour le développement et la vérification de nouveaux systèmes offre une alternative intéressante aux simulations traditionnelles par ordinateur. Plus précisément, dans le cas de la commande d’attitude, la possibilité d’utiliser la dynamique réelle du satellite pendant les phases de conception et de développement présente des avantages tels que l’inclusion des systèmes difficiles à modéliser et la réduction du risque d’erreur et du temps de vérification. Cependant, cette technologie est encore récente et est de ce fait sujette à être améliorée afin d’offrir le meilleur scénario possible pour le développement des algorithmes de commande d’attitude de la prochaine génération de satellites. À cet effet, l’Université de Sherbrooke et la société NGC Aérospatiale Ltée. développent en partenariat le simulateur matériel de satellite LABSAT qui possède toutes les fonctionnalités d’un véhicule spatial incluant les actionneurs, capteurs, calculateurs embarqués et éléments flexibles. Le projet présenté dans ce document consiste à concevoir et mettre en œuvre sur le minisatellite LABSAT un premier système de navigation et commande permettant d’exécuter les manœuvres en orientation à partir d’une station de contrôle. À cette fin, les différents sous-systèmes du simulateur matériel ont été intégrés et des solutions en termes de calibration de capteurs, d’estimateur d’état et de systèmes de commande ont été analysées théoriquement et en simulation. Les techniques les plus appropriées ont été, par la suite, implémentées et évaluées sur le système final, dans le but de vérifier leur fonctionnement dans l’environnement réel.

Cette thèse porte sur la commande d'un photobioréacteur continu pour la culture des microalgues. La modélisation du système et l'identification des paramètres du modèle ont été particulièrement abordées. Les paramètres cinétiques et de transfert de l'énergie lumineuse ont été obtenus à partir des données acquises le long de la phase exponentielle de la culture de Porphyridium purpureum en mode batch sous différentes conditions expérimentales dans un photobioréacteur de 2,5 litres. La concentration en biomasse est la quantité physique la plus importante à réguler. Puisque elle n'est pas toujours facile à mesurer en ligne, un capteur logiciel permettant d'estimer la quantité de biomasse produite à partir des mesures en ligne est proposé. Il s'agit d'un filtre de Kalman étendu (EKF) qui combine le modèle du système avec la mesure de la concentration du carbone inorganique total et d'autres variables physiques (pH, intensité lumineuse,...) afin d'estimer en ligne la concentration de la biomasse. Ce capteur logiciel a été validé expérimentalement en utilisant un nouveau photobioréacteur de 9,6 litres de type colonne à bulles, équipé de plusieurs dispositifs destinés à mettre en place un système de commande et de régulation, et de techniques de mesure permettant d'accéder à l'évolution des principales variables. Plusieurs démarches pour la commande de la culture de microalgues ont été également proposées : commande non-linéaire et linéaire, régulation par PID, commande par modèle générique GMC, commande linéarisante par retour d'état et commande prédictive non-linéaire. Ces différentes commandes ont été mises oeuvre en simulation ce qui nous a permis de choisir les stratégies les plus performantes et de les valider sur le photobioréacteur instrumenté.

Dans un contexte comme celui des technologies aérospatiales, qui se caractérise non seulement par sa complexité, mais aussi par sa difficulté à régler les erreurs une fois que le véhicule est dans son environnement final, l’utilisation des simulateurs de satellite sur Terre pour le développement et la vérification de nouveaux systèmes offre une alternative intéressante aux simulations traditionnelles par ordinateur. Plus précisément, dans le cas de la commande d’attitude, la possibilité d’utiliser la dynamique réelle du satellite pendant les phases de conception et de développement présente des avantages tels que l’inclusion des systèmes difficiles à modéliser et la réduction du risque d’erreur et du temps de vérification. Cependant, cette technologie est encore récente et est de ce fait sujette à être améliorée afin d’offrir le meilleur scénario possible pour le développement des algorithmes de commande d’attitude de la prochaine génération de satellites. À cet effet, l’Université de Sherbrooke et la société NGC Aérospatiale Ltée. développent en partenariat le simulateur matériel de satellite LABSAT qui possède toutes les fonctionnalités d’un véhicule spatial incluant les actionneurs, capteurs, calculateurs embarqués et éléments flexibles. Le projet présenté dans ce document consiste à concevoir et mettre en œuvre sur le minisatellite LABSAT un premier système de navigation et commande permettant d’exécuter les manœuvres en orientation à partir d’une station de contrôle. À cette fin, les différents sous-systèmes du simulateur matériel ont été intégrés et des solutions en termes de calibration de capteurs, d’estimateur d’état et de systèmes de commande ont été analysées théoriquement et en simulation. Les techniques les plus appropriées ont été, par la suite, implémentées et évaluées sur le système final, dans le but de vérifier leur fonctionnement dans l’environnement réel.

Les entraîneurs en sports acrobatiques disposent de peu d’outils permettant d’améliorer leur compréhension des saltos vrillés et la performance des athlètes. L’objectif de ce mémoire était de développer un environnement graphique de simulation numérique réaliste et utile des acrobaties aériennes. Un modèle composé de 17 segments et de 42 degrés de liberté a été développé et personnalisé à une athlète de plongeon. Un système optoélectronique échantillonné à 300 Hz a permis l’acquisition de huit plongeons en situation réelle d’entraînement. La cinématique articulaire reconstruite avec un filtre de Kalman étendu a été utilisée comme entrée du modèle. Des erreurs quadratiques moyennes de 20° (salto) et de 9° (vrille) entre les performances simulées et réelles ont permis de valider le modèle. Enfin, une formation basée sur le simulateur a été offerte à 14 entraîneurs en sports acrobatiques. Une augmentation moyenne de 11 % des résultats aux questionnaires post-test a permis de constater le potentiel pédagogique de l’outil pour la formation. / Coaches need tools to better understand the mechanics of twisting somersaults and improve their knowledge and their athletes’ performance. The aim of this thesis was to provide them with a computer simulation model of aerial movements. An elite diver was modelled as a 17-segment 42-degree of freedom angle-driven model. The model was personalised to the diver so that simulation outputs could be compared with her actual performance. Input data were recorded by a 17-camera motion capture system sampled at 300 Hz. The joint angle time histories were reconstructed using an extended Kalman filter. The model was successfully evaluated and shown to produce realistic movements, with overall root-mean-square error of 20° (somersault) and 9° (twist) between reconstructed body kinematics and the corresponding simulations for eight dives. Finally, a workshop based on the simulation was offered to coaches and showed potential to improve their knowledge since the mean post-test result was increased by 11 %.

La commande sans capteur mécanique de la machine synchrone à aimants permanents est un sujet largement répandu dont les plus grandes difficultés connues, quel que soit l’observateur utilisé, sont celui du démarrage à vitesse nulle et plus largement de la commande aux basses vitesses, et celui du rejet des fortes perturbations du couple. Afin d’y faire obstacle, diverses adaptations des algorithmes d’observateur ont été proposées afin d’améliorer le comportement de la machine en commande sans capteur. Par ailleurs, il est couramment admis que les déchets de tension produit par l’onduleur sont nuisibles à l’observation de la position, les tensions de référence étant légèrement différentes des tensions appliquées aux enroulements de la machine. Quelques propositions apparaissent dans certaines publications notamment en établissant un algorithme de compensation. C’est ainsi que les travaux de cette thèse portent sur cette thématique, celle d’améliorer la commande sans capteur dans les situations d’observabilité difficile en proposant une solution originale afin de faire correspondre au mieux les tensions appliquées à la machine et les tensions de référence utiles à l’observateur. Les résultats montrent que la solution proposée et largement analysée améliore considérablement le comportement de la machine en commande aux basses vitesses et en rejet de perturbation, tant en régime permanent qu’en régime transitoire ; une analyse de Fourier des courants mesurés atteste l’efficacité de la méthode et une analyse des grandeurs observées par la statistique descriptive met en lumière l’intérêt de l’algorithme. Nous montrons ainsi que la solution proposée permet d’observer la vitesse et la position en deçà de la vitesse mécanique de 15 rad/s alors que la commande est instable en deçà de 20 rad/s quand la solution n’est pas mise en œuvre. Un constat similaire apparaît en rejet de perturbation. D’autres résultats montrent que l’observation à plus basse vitesse est entachée d’une perturbation liée à un couple pulsatoire dont l’origine peut être le couple de détente, lequel n’est pas pris en compte par le modèle de la machine. / The sensorless control of the permanent magnet synchronous machine is a subject widely spread. Two great difficulties are known; (i) the start at nil initial speed and more generally the control at very low speed whatever the observer used and (ii) the high torque disturbance rejection. In order to hinder these difficulties numerous modifications of observer algorithms were proposed to improve the performances of the permanent magnet synchronous machine sensorless control. Moreover, we admit commonly that the drop voltages due to the inverter are prejudicial to the position estimated, because the difference between the voltage reference transmitted to the PWM (pulse width modulation) and the motor winding voltage is not negligible at low speed and low load torque. According to the literature, several papers propose some solutions by compensation algorithms and voltage estimator in particular. So, the goal of this thesis is to estimate the winding voltage and to apply the state observer by Extended Kalman Filtering to improve more finely the sensorless control. We propose an original solution to estimate the voltage references which is applied to the observer. Numerous experimental results show the attractive effects in marked contrast to the sensorless control results without estimation of the winding voltages. The results of sensorless control show that the solution proposed which widely analysed improves significantly the estimation errors of the motor running in low speed range and low torque disturbances range. Fourier analyses and statistic data obtained in steady state speed and results during the transient response indicate complementary results and highlight the interest of the estimation algorithm. Our study brings out that the estimation error reduction allows to running the motor at mechanical speed short of 15 rad/s. In the other hand, the system is instable with speed short of 20 rad/s if the voltage references are used by the observer rather than the estimation voltages. The same improvement appears in disturbance rejection. Other results show that the estimated position errors at lower speed increases in spite of the estimation algorithm. In fact, the torque disturbances are dominant at low speed, low load torque and are harmful to control the electromagnetic torque.

La pile à combustible (PàC) est une source d’énergie qui produit de l’électricité à partir de l’hydrogène et de l’oxygène.Elles sont très prometteuses pour la production d'énergie électrique. Néanmoins, la PàC souffre encore d’imperfections limitant ainsi sa commercialisation à grande échelle, tout particulièrement pour les applications de transport.C’est pourquoi, l’hybridation des différentes sources d’énergies est devenue une réalité pour les applications non-stationnaires telles que les véhicules tout électriques.Cependant ces applications nécessitent des solutions de gestion de l’énergie fiables prenant en compte toutes les contraintes du système électrique hybride.Par conséquent, le développement de plateforme de validation est nécessaire.Dans ce contexte, le Hardware In the Loop (HIL) est une technique très prometteuse, où une partie d’un système réel peut être remplacée par un système virtuel tout en respectant la communication entre ces sous-systèmes physiques et virtuels.Ce mémoire détaille des modèles dynamiques d'une pile à combustible échangeuse de proton (PEMFC) hybridée à des supercondensateurs.Par ailleurs, on détaille la gestion d’énergie entre ces deux sources, ainsi que le pronostic de la pile basé d’une part d’un filtre de Kalman étendu (EKF) pour l’estimation de l’état de santé (SoH) réel de la pile, et d’autre part, de la méthode Inverse First Order Reliability Method (IFORM) en vue d’estimer la durée de vie utile restante de la pile, tout cela dans une approche Hardware-In-The-Loop (HIL). / The fuel cell is a source of energy that generates electricity from hydrogen and oxygen.They are very promising candidates for the production of electric power.Nevertheless, the fuel cell still suffers from imperfections limiting its commercialization on a full scale, in particular for transport applications.This is the reason why, hybridization of different energy sources has become a reality for non-stationary applications such as all-electric vehicles.However, these applications require reliable energy management solutions that take into account all the constraints of the hybrid electrical system.Therefore, the development of validation platform is necessary.In this context, the Hardware In the Loop (HIL) is a very promising technique, where part of a real system can be replaced by a virtual system while respecting the communication between these physical and virtual subsystems.This document details the dynamic models of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) associated with supercapacitors.Furthermore, the energy management between these two sources and the prognostic of the fuel cell composed of a extenced Kalman Filter filter (EKF) for the estimation of the real state of health (SoH) of the stack and, on the other hand, of the Inverse First Order Reliability Method (IFORM) in order to estimate the remaining useful life of the stack, all implemented in an FPGA control board in a Hardware-In-The-Loop (HIL) context.

L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire concerne la commande en poussée de propulseurs électriques marins. Afin de simplifier le problème, l'étude se limite aux véhicules sous-marins autonomes (AUV) ou commandés à distance (ROV).<br /><br />La première partie de ce mémoire présente la modélisation des propulseurs ainsi que plusieurs commandes en poussée issues de la littérature. La majorité de ces commandes est basée sur l'inversion des modèles avec parfois une boucle de régulation<br />intermédiaire.<br /><br />Dans une deuxième partie, une commande originale est proposée. Elle repose sur trois éléments : l'observation du couple hydrodynamique, l'estimation de la poussée par modèle inverse et l'utilisation de correcteurs de type PID. Une étude comparative avec les commandes existantes est menée en simulation.<br /><br />Enfin, la dernière partie concerne la conception d'un banc d'essais. Ce banc d'essais permettra de valider les modèles et les lois de commande utilisés pour la commande en poussée des AUV et des ROV.

Les entraîneurs en sports acrobatiques disposent de peu d’outils permettant d’améliorer leur compréhension des saltos vrillés et la performance des athlètes. L’objectif de ce mémoire était de développer un environnement graphique de simulation numérique réaliste et utile des acrobaties aériennes. Un modèle composé de 17 segments et de 42 degrés de liberté a été développé et personnalisé à une athlète de plongeon. Un système optoélectronique échantillonné à 300 Hz a permis l’acquisition de huit plongeons en situation réelle d’entraînement. La cinématique articulaire reconstruite avec un filtre de Kalman étendu a été utilisée comme entrée du modèle. Des erreurs quadratiques moyennes de 20° (salto) et de 9° (vrille) entre les performances simulées et réelles ont permis de valider le modèle. Enfin, une formation basée sur le simulateur a été offerte à 14 entraîneurs en sports acrobatiques. Une augmentation moyenne de 11 % des résultats aux questionnaires post-test a permis de constater le potentiel pédagogique de l’outil pour la formation. / Coaches need tools to better understand the mechanics of twisting somersaults and improve their knowledge and their athletes’ performance. The aim of this thesis was to provide them with a computer simulation model of aerial movements. An elite diver was modelled as a 17-segment 42-degree of freedom angle-driven model. The model was personalised to the diver so that simulation outputs could be compared with her actual performance. Input data were recorded by a 17-camera motion capture system sampled at 300 Hz. The joint angle time histories were reconstructed using an extended Kalman filter. The model was successfully evaluated and shown to produce realistic movements, with overall root-mean-square error of 20° (somersault) and 9° (twist) between reconstructed body kinematics and the corresponding simulations for eight dives. Finally, a workshop based on the simulation was offered to coaches and showed potential to improve their knowledge since the mean post-test result was increased by 11 %.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne le développement théorique et la validation expérimentale d'algorithmes de fusion de données originaux pour mini-drones, dépassant les limitations des estimateurs communément utilisés (e.g. le Filtre de Kalman Etendu ou les filtres particulaires) et pouvant être implémentés aisément et efficacement dans une avionique bas-coûts. Nous proposons tout d'abord des observateurs invariants "génériques'', préservant les symétries naturelles du système physique. Ces observateurs fusionnent les mesures de capteurs bon marché usuels (tels que les capteurs inertiels, magnétomètres, GPS ou baromètres) afin d'estimer avec précision l'état de l'appareil (angles d'attitude et de cap, vitesse et position) sans modèle dynamique de l'engin. Ils possèdent un large domaine de convergence; ils sont également faciles à régler et très économiques en temps de calcul. Puis nous développons des observateurs "spécifiques'', adaptés au type de véhicule aérien considéré, en l'occurence un mini-quadrotor. Basés sur un modèle physique tenant compte de la traînée de rotor, les observateurs présentés estiment la vitesse du quadrotor à partir de mesures uniquement inertielles, menant à un contrôle en vitesse de l'appareil. Cette approche est validée par des vols stabilisés autonomes. Enfin, nous présentons en détail l'intégration du système avionique bas-coûts utilisé, composé de capteurs "bruts'' et d'un microcontrôleur sur lequel sont implémentés les observateurs précédents. Nous validons ces algorithmes en comparant leurs estimations avec celles fournies par un produit commercial coûteux, mettant ainsi en évidence leur excellent rapport "qualité/prix''.