Ce travail de thèse s'inscrit dans le développement d'un véhicule autonome en milieu autoroutier. Plus précisément, il s'agit de proposer une architecture unifiée de génération de trajectoires avec une prise de décision prenant en compte les limitations de l'environnement et des informations disponibles actuellement sur un véhicule automatisé.La méthode propose d'une part de générer des trajectoires sous forme de sigmoı̈de dans une représentation spatiotemporelle continue de l'espace de navigation, préalablement réduit par la modélisation d'intervalles sans collision en conditionnominale de conduite. Les paramètres de la sigmoı̈de sont ensuite optimisés par une stratégie de recuit simulé utilisant l'algorithme de prise de décision comme fonction d'évaluation de la trajectoire générée. De cette manière, les problèmes de discrétisation et de découplage position/vitesse sont évités. D'autre part, l'agrégation des théories de logique floue etdes croyances permet une prise de décision sur des critères hétérogènes et des données incertaines. Le formalisme présenté offre la possibilité d'adapter le comportement du véhicule aux passagers, notamment selon leur perception du risque et leur souhait d'une conduite souple ou sportive.L'approche développée a finalement été évaluée et validée en environnement de simulation puis sur un véhicule de test. La brique de planification a alors été intégrée à l'architecture existante du véhicule, en aval des briques de localisation et de perception des obstacles et en amont de la brique de contrôle. / This thesis work is part of the development of a self-driving car in highway environments. More precisely, it aims to propose a unified architecture of trajectory planner and decision-maker taking into account the limitations of the environment and the available data within the current development of sensors technologies (distance limitations, uncertainties).On the one hand, the method generates sigmoid trajectories in a continuous spatiotemporal representation of the evolution space, which is reduced beforehand by modeling collision-free intervals in nominal conditions of driving. The sigmoid parameters are subsequently optimized with a simulated annealing approach that uses the decision-maker algorithm as the evaluation function for the generated trajectory. It thus makes it possible to elude both the discretization and position/speed decoupling problems. On the other hand, the aggregation of fuzzy logic and belief theory allows decision making on heterogeneous criteria and uncertain data. The proposed framework also handles personalization of the vehicle's behavior, depending on the passengers' risk perception and an aggressive or conservative driving style.The presented approach was finally evaluated and validated in a simulation environment, and then in a test vehicle. The planning block was integrated into the existing vehicle's architecture, interfaced with the localization, obstacles' perception and control blocks.

La qualité de réalisation des moules et matrices dépend de l'aptitude de chacune des activités du processus de conception et de fabrication à modéliser ou produire la géométrie attendue. Malgré l'intégration des contraintes de fabrication liées aux procédés d'obtention, il est difficile d'atteindre le niveau de qualité recherché car de nouvelles erreurs sont introduites lors de la génération des trajectoires. En effet, l'extraction de la géométrie nominale et sa re-modélisation sous forme de trajets d'usinage introduit de nombreuses approximations. La surface d'usinage apporte une évolution du processus de conception des formes en intégrant les spécifications fonctionnelles au calcul du trajet d'usinage. Nous menons une démarche d'identification de la surface d'usinage pour le fraisage à 5 axes en bout avec un outil torique. Cette nouvelle modélisation est utilisée pour implémenter une stratégie d'usinage particulière dite à hauteur de crête constante en fraisage 3 et 5 axes. Celle-ci améliore la qualité des surfaces usinées et permet d'augmenter la productivité de l'usinage et abaisser les coûts.

Les pièces de formes complexes des domaines aéronautique et automobile sont fabriquées par usinage 5 axes UGV pour accroître leur qualité ou la productivité. Cependant, la gestion combinée du multi-axe et des vitesses élevées posent divers problèmes au couple MO-CN lors de l'exécution des trajectoires.<br />Ces travaux portent sur l'optimisation de l'usinage 5 axes UGV au travers de l'étude des trajectoires et de leur suivi. Après avoir analysé le processus de réalisation des trajectoires et identifié les limites associées, un modèle d'évaluation des performances cinématiques lors du suivi est développé ; il permet de détecter les portions critiques des trajets ainsi que les éléments limitants. Une structure d'optimisation, basée sur un modèle de description surfacique des trajets est ensuite présentée. L'optimisation de l'orientation de l'axe de l'outil, tenant compte des contraintes précédentes y est plus spécifiquement étudiée pour évaluer la faisabilité d'une telle démarche.

Dans le contexte de la robotique de service, les robots doivent interagir avec l'environnement et les humains qui s'y trouvent. La présence d'humain crée un contexte particulier où la sécurité et le confort des utilisateurs prime sur la dynamique du système. L'environnement n'étant pas figé dans ce contexte, l'utilisation de capteurs extéroceptifs est indispensable. Un premier thème développé dans le mémoire est la planification de trajectoires pour laquelle nous proposons de borner la vitesse, l'accélération et le jerk. Les trajectoires sont alors définies par une succession de cubiques, sept pour passer d'une situation initiale à une situation finale quelconque. La méthode est étendu à l'espace et au suivi d'une trajectoire définie par des points, les rotations y sont représentées par des quaternions. Nous proposons ensuite une commande par retour visuel fondée sur le suivi de mouvements souples planifiés. L'utilisation d'un filtre de Kalman étendu pour estimer la position de la cible autorise une auto-calibration du système. Des simulations et des expérimentations sur le robot Jido permettent de valider cette approche. Le planificateur de trajectoire est utilisé quotidiennement sur le robot Jido dans le cadre du projet européen Cogniron.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le contexte de la robotique de manipulation distante où les possibilités de communication entre l'opérateur et le site robotisé sont réduites. Pour accroître l'autonomie de fonctionnement du manipulateur distant, il faut pouvoir raisonner sur un modèle du robot et de son environnement de travail. En raison de la connaissance imprécise de ce dernier, il est indispensable de disposer de moyens d'identification des positions et de la taille des objets en interaction avec le robot. De plus, le caractère non répétitif et la complexité des tâches envisagées nécessitent l'emploi d'un système rapidement reconfigurable et susceptible de traiter des problèmes suffisamment généraux. Dans cette perspective, l'approche proposée de spécification de tâches par contraintes autorise une description des actions à effectuer en termes de mobilités et de contraintes de contact à établir ou maintenir entre certains corps. Les relations de contraintes résultantes sont alors traitées par un module de résolution basé sur un schéma numérique itératif de type Newton-Raphson. Un niveau important de robustesse a été atteint grâce à une gestion dynamique du conditionnement des équations qui permet un choix automatique du scénario de résolution. Les applications de l'approche incluent en premier lieu la génération de trajectoires complexes et continues pour des systèmes robotisés quelconques. La mise en place de contraintes peut aussi être exploitée pour accomplir, localement, des évitements d'obstacles. Enfin, cette démarche se prête également à la résolution de tâches de calibration des objets présents dans l'univers du robot. Cette caractéristique est essentielle dans le contexte de manipulation distante où les modèles sont mal connus a priori. Finalement, la présentation d'un scénario expérimental de suivi de joint de soudure, mis en œuvre sur un manipulateur réel, nous permet de formuler une proposition pour l'exécution de tâches robotisées sur sites distants

La qualité de réalisation des moules et matrices dépend de l'aptitude de chacune des activités du processus de conception et de fabrication à modéliser ou produire la géométrie attendue. Malgré l'intégration des contraintes de fabrication liées aux procédés d'obtention, il est difficile d'atteindre le niveau de qualité recherché car de nouvelles erreurs sont introduites lors de la génération des trajectoires. En effet, l'extraction de la géométrie nominale et sa remodélisation sous forme de trajets d'usinage introduit de nombreuses approximations. La surface d'usinage apporte une évolution du processus de conception des formes en intégrant les spécifications fonctionnelles au calcul du trajet d'usinage. Nous menons une démarche d'identification de la surface d'usinage pour le fraisage à 5 axes en bout avec un outil torique. Cette nouvelle modélisation est utilisée pour implémenter une stratégie d'usinage particulière dite à hauteur de crête constante en fraisage 3 et 5 axes. Celle ci améliore la qualité des surfaces usinées et permet d'augmenter la productivité de l'usinage et abaisser les coûts.

Les pièces de formes complexes dans le domaine de l'aéronautique et des machines hydrauliques sont réalisées par usinage grande vitesse 5 axes. Dans ce contexte, les travaux proposés ont conduit à l'élaboration d'une méthode de génération de trajectoires 5 axes UGV par flanc d'outil basée sur le concept de surface l'usinage. La représentation surfacique de la trajectoire permet une minimisation globale des écarts géométriques entre la surface à usiner et la surface enveloppe du mouvement de l'outil. Cependant, en considérant le contexte d'usinage à grande vitesse, la fluidité de la trajectoire générée est essentielle pour assurer un usinage performant. Nous montrons que la fluidité de la trajectoire peut être contrôlée par le calcul de l'énergie de déformation de la surface d'usinage. Un schéma d'optimisation dont l'objectif est un compromis entre la minimisation des écarts géométriques et la fluidité de la trajectoire est ensuite proposée. Notre approche est illustrée au travers d'exemples issus de la littérature et d'autres plus industriels. La méthode de génération de trajectoires ainsi proposée conduit à de meilleures performances en terme de qualité de surfaces usinées et en terme de productivité, grâce à l'intégration au plus tôt de contraintes de diverses natures dans le calcul des trajets.

Dans cette thèse nous nous intéressons à deux types d'approches pour la planification de pas pour robots humanoïdes : d'une part les approches discrètes où le robot n'a qu'un nombre fini de pas possibles, et d'autre part les approches où le robot se base sur des zones de faisabilité continues. Nous étudions ces problèmes à la fois du point de vue théorique et pratique. En particulier nous décrivons deux méthodes originales, cohérentes et efficaces pour la planification de pas, l'une dans le cas discret (chapitre 5) et l'autre dans le cas continu (chapitre 6). Nous validons ces méthodes en simulation ainsi qu'avec plusieurs expériences sur le robot HRP-2. / In this thesis we investigate two types of approaches for footstep planning for humanoid robots: on one hand the discrete approaches where the robot has only a finite set of possible steps, and on the other hand the approaches where the robot uses continuous feasibility regions. We study these problems both on a theoretical and practical level. In particular, we describe two original, coherent and efficient methods for footstep planning, one in the discrete case (chapter 5), and one in the continuous case (chapter 6). We validate these methods in simulation and with several experiments on the robot HRP-2.

Ce travail est développé dans le contexte des projets SESAR et Next-Gen, où de nouvelles applications de la gestion du trafic aérien (ATM) comme le concept de gestion d'opérations en 4D, se sont focalisées sur les opérations basées sur la trajectoire (TBO - Trajectory Based Operations). Ces opérations sont en relation avec l'extension de la flexibilité de la séparation entre avions, et par conséquence, avec l'augmentation de la capacité du trafic aérien. En sachant qu'une évolution des routes fixes et autorisations émises par le contrôle du trafic aérien (ATC - Air Traffic Control) vers des trajectoires flexibles est imminente, en s'appuyant en même temps aux niveaux les plus élevés de l'automatique embarquée, ce travail de recherche s'intéresse aux sujets qui aideront à la transition des systèmes actuels vers les systèmes compatibles avec les nouveaux besoins des TBO. Les principaux axes de recherche de ce manuscrit s'articulent en trois points: La génération de trajectoires en 4D, le guidage en 4D, et l'estimation de la masse d'un avion pour l'optimisation des trajectoires. Concernant la génération des trajectoires, le besoin des utilisateurs d'espaces aériens de planifier leurs routes préférées à partir d'un point d'entrée dans l'espace aérien sans être limités par les configurations existantes est considéré. Une solution particulière pour la génération de trajectoires lisses en 4D à partir de points de contrôle prédéfinis est alors explorée. La méthode proposée s'appuie sur les courbes de Bézier, et elle permet de contrôler la distance euclidienne entre le point de contrôle donné et la trajectoire proposée. Ceci est fait en modifiant la trajectoire de telle façon qu'elle reste à l'intérieur des limites des facteurs de charge, en considérant un compromis entre la courbure de la trajectoire et la vitesse voulue de l'avion, ce qui représente une étape importante dans le chemin vers les TBO. Le guidage précis en 4D améliorera la sûreté en diminuant l'occurrence de quasi-collisions aériennes pour des trajectoires en 4D planifiées en avance. En conséquence, deux autopilotes et deux méthodes de guidage sont développées avec l'objectif de réduire la charge de travail des contrôleurs du trafic aérien associée à un vol. Les techniques de backstepping et feedback linearization sont utilisées pour le pilotage, alors que l'inversion non linéaire directe et indirecte sont adoptées pour le guidage. De plus, l'impact de la connaissance inexacte de la masse de l'avion dans le suivi de trajectoires, ses conséquences dans l'optimisation, la consommation de carburant, et la performance de l'avion, a conduit à l'implémentation d'une estimation embarquée de la masse de l'avion. L'approche créée est basée sur les moindres carrées, en fournissant des estimations de la masse initiale et la masse courante, toutes les deux avec une précision suffisante pour atteindre les objectifs liées aux TBO. Les méthodes proposées dans cette thèse sont examinées en utilisant un modèle à six degrés de liberté, dont les paramètres approchent un appareil du type B737-200 ou A320-200. La simulation est basée sur une modélisation complète et non linéaire de la dynamique des avions de transport incluant des perturbations liées au vent. Des réseaux de neurones sont utilisés pour obtenir les différents coefficients aérodynamiques correspondant aux forces et moments de l'avion. / This work is developed with the perspective of SESAR and Next-Gen projects, where new applications of Air Traffic Management (ATM) such as the Full 4D Management concept, are centered on Trajectory-Based Operations (TBO), deeply related with the extension of the flexibility in separation between aircraft, and hence, with the augmentation of air traffic capacity. Therefore, since a shift from fixed routes and Air Traffic Control (ATC) clearances to flexible trajectories is imminent, while relying on higher levels of onboard automation, the thesis hinges around topics that should enable or ease the transition from current systems to systems compliant with the new expectancies of Trajectory-Based Operations. The main axes of the manuscript can be summarized in three topics: 4D trajectory generation, 4D guidance, and mass estimation for trajectory optimization. Regarding the trajectory generation, the need of airspace users to plan their preferred route from an entry to an exit point of the airspace without being constrained by the existent configurations is considered. Thus, a particular solution for 4D smooth path generation from preexisting control points is explored. The method is based on Bezier curves, and is able to control the Euclidian distance between the given control points and the proposed trajectory. This is done by reshaping the path to remain within load factor limits, taking into account a tradeoff between path curvature and aircraft intended speed, representing a milestone in the road towards Trajectory-Based Operations. It is considered that accurate 4D guidance will improve safety by decreasing the occurrence of near mid-air collisions for planned conflict free 4D trajectories. In consequence, two autopilots and two guidance approaches are developed with the objective of diminishing the workload for air traffic controllers associated to a single flight. The backstepping and feedback linearization techniques are used for attitude control, while direct and indirect nonlinear inversion are adopted for guidance. Furthermore, the impact of inaccurate mass knowledge in trajectory guidance, with consequences in optimization, fuel consumption, and aircraft performance, has led to the implementation of an on-board aircraft mass estimation. The created approach is based on least squares, providing an initial mass estimation, and online computations of the current mass, both with enough accuracy to meet the objectives related to TBO. The methods proposed in this thesis are tested in a six degrees of freedom Matlab model with its parameters chosen similar to an aircraft type B737-200 or A320-200. The simulation is based on a full nonlinear modelling of transport aircraft dynamics under wind disturbances. Trained neural networks are used to obtain the aerodynamic coefficients corresponding the aircraft forces and moments.

Les travaux de recherche présentés visent à définir des voies d'optimisation concernant la programmation des MOCN liées au développement des machines à structure parallèle. Nous avons identifié quatre axes de recherche permettant d'adapter la programmation de la machine à l'application visée. Le premier axe traite de la préparation de la fabrication, en particulier le choix de la stratégie d'usinage, en évaluant le potentiel de nouvelles trajectoires (tréflage et usinage trochoïdal) et en définissant des fenêtres de performance pour les principales stratégies d'usinage en fonction des aptitudes de la machine employée. Le deuxième axe se focalise sur le formage incrémental, procédé émergent. Nous montrons que le recours à une programmation adaptée améliore la mise en oeuvre de ce procédé et que les voies d'optimisation sont fonction des capacités de la MOCN choisie. Au cours du troisième axe, nous proposons une nouvelle approche de programmation avancée des parcours d'outil, la méthode ICAM (Intelligent Computer Aided Manufacturing). Elle permet d'optimiser la programmation implémentée en s'appuyant sur une évaluation par le DCN de données process en cours de fabrication. Le quatrième axe porte enfin sur les évolutions à moyen terme de la programmation en s'intéressant d'un côté aux mutations de l'environnement des MOCN générées par le développement de l'e-manufacturing et d'un autre côté à la mise en place d'un nouveau standard de programmation des machine outils, le format Step_NC. Ce dernier constitue un cadre idéal aux optimisations proposées pour les autres axes de recherche, en plus de conduire à de nouvelles avancées en programmation des MOCN.