Nous nous intéressons à la conception des mains mécaniques anthropomorphes destinées à manipuler des objets dans un environnement humain. Via l'analyse du mouvement de sujets humains lors d'une tâche de manipulation de référence, nous proposons une méthode pour évaluer la capacité des mains robotiques à manipuler les objets. Nous montrons comment les rapports de couplage angulaires entre les articulations et les limites articulaires, influent sur l'aptitude à manipuler dynamiquement des objets. Nous montrons également l'impact du poignet sur les tâches de manipulation rapides. Nous proposons une stratégie pour calculer les forces de manipulation en bout de doigts et dimensionner les moteurs d'un tel préhenseur. La méthode proposée est dépendante de la tâche visée et s'adapte à tout type de mouvement dès lors qu'il peut être capturé et analysé. Dans une deuxième partie, consacrée aux robots manipulateurs, nous élaborons des algorithmes de commande optimale. En considérant l'énergie cinétique du robot comme une métrique, le modèle dynamique est formulé sous forme tensorielle dans le cadre de la géométrie Riemannienne. La discrétisation temporelle est basée sur les Éléments Finis d'Hermite. Nous intégrons les équations de Lagrange du mouvement par une méthode de perturbation. Des exemples de simulation illustrent la superconvergence de la technique d'Hermite. Le critère de contrôle est choisi indépendant des paramètres de configuration. Les équations de la commande associées aux équations du mouvement se révèlent covariantes. La méthode de commande optimale proposée consiste à minimiser la fonction objective correspondant au critère invariant sélectionné. / We focus on the design of anthropomorphous mechanical hands destined to manipulate objects in a human environment. Via the motion analysis of a reference manipulation task performed by human subjects, we propose a method to evaluate a robotic hand manipulation capacities. We demonstrate how the angular coupling between the fingers joints and the angular limits affect the hands potential to manipulate objects. We also show the influence of the wrist motions on the manipulation task. We propose a strategy to calculate the fingertip manipulation forces and dimension the fingers motors. In a second part devoted to articulated robots, we elaborate optimal control algorithms. Regarding the kinetic energy of the robot as a metric, the dynamic model is formulated tensorially in the framework of Riemannian geometry. The time discretization is based on the Hermite Finite Elements.A time integration algorithm is designed by implementing a perturbation method of the Lagrange's motion equations. Simulation examples illustrate the superconvergence of the Hermite's technique. The control criterion is selected to be coordinate free. The control equations associated with the motion equations reveal to be covariant. The suggested control method consists in minimizing the objective function corresponding to the selected invariant criterion.

M-matrices are extensively employed in numerical analysis. These matrices can be generalized by corresponding operators on a partially ordered normed space. We extend results which are well-known for M-matrices to this more general setting. We investigate two different notions of an M-operator, where we focus on two questions: 1. For which types of partially ordered normed spaces do the both notions coincide? This leads to the study of positive-off-diagonal operators. 2. Which conditions on an M-operator ensure that its (positive) inverse satisfies certain maximum principles? We deal with generalizations of the "maximum principle for inverse column entries". / M-Matrizen werden in der numerischen Mathematik vielfältig angewandt. Eine Verallgemeinerung dieser Matrizen sind entsprechende Operatoren auf halbgeordneten normierten Räumen. Bekannte Aussagen aus der Theorie der M-Matrizen werden auf diese Situation übertragen. Für zwei verschiedene Typen von M-Operatoren werden die folgenden Fragen behandelt: 1. Für welche geordneten normierten Räume sind die beiden Typen gleich? Dies führt zur Untersuchung außerdiagonal-positiver Operatoren. 2. Welche Bedingungen an einen M-Operator sichern, dass seine (positive) Inverse gewissen Maximumprinzipien genügt? Es werden Verallgemeinerungen des "Maximumprinzips für inverse Spalteneinträge" angegeben und untersucht.

À travers une approche de contrôle optimal, cette thèse de doctorat propose une étude des modèles et des techniques de résolution dans un domaine d'application propre à la gestion du trafic aérien. Motivés par la croissance des flux aériens d'une part, et les développements en théorie du contrôle optimal d'autre part, ces travaux portent sur l'analyse du problème d'évitement de conflits aériens. Cette étude permet le développement de nouvelles approches et algorithmes en vue d'aider les contrôleurs aériens dans leur tâche. Ainsi, dans le cadre du trafic aérien, afin de préserver des distances minimales de sécurité entre avions, lors de phases tactiques et de configurations des vols en-route, notre recherche se focalise sur une stratégie de régulation subliminale en vitesse (variations très réduites), pour assurer la séparation entre avions, tout en conservant leur trajectoire prédéfinie. D'une part, une méthode de résolution numérique en contrôle optimal telle que la méthode directe de tir, impliquant une discrétisation totale ou partielle du problème, transforme le problème initial en un problème en programmation non linéaire de grande taille. Ce type de méthodes peut générer des problèmes d'optimisation de grande taille numériquement di_ciles à résoudre. Suivant le nombre de variables du problème, elles peuvent s'avérer trop coûteuse en termes de temps de calculs. D'autre part, les contraintes sur les variables d'états du problème posent des di_cultés de résolution, par exemple, pour l'usage d'une méthode numérique indirecte de tir. Développant les informations caractéristiques des conflits aériens, une détection et une détermination a priori des zones de conflits permettent alors la décomposition du problème présenté de contrôle optimal en sous-problèmes plus aisés à résoudre. La résolution des sous-problèmes hors-zones peut être abordée en utilisant les conditions du principe du maximum de Pontryagin, ce qui en permet une résolution e_cace. Une combinaison de méthodes numériques directes de tir et d'application des conditions du principe du maximum de Pontryagin est proposée, et des implémentations numériques valident ce type d'approche. / The purpose of this doctoral thesis is to study models and solution techniques based on optimal control approaches to address air tra_c management problems. Motivated by the growth of air tra_c volume, and by the advances in optimal control theory, this research works focus on analysing aircraft conflict avoidance problem. This study allows development of new approaches and algorithms to help air tra_c controllers. In the framework of air tra_c management, to ensure the minimum safety distances between aircraft, in tactical phases and en-route flight configurations, this thesis focusses on a subliminal velocity regulation strategy to perform the separation, while preserving the aircraft predefined trajectories. A numerical optimal control solution approach as the direct shooting method, wherein involves a total or partial discretization of the problem, transforms the initial problem into a large scale nonlinear programming problem. This kind of methods could generate large-size optimization problems which are numerically di_cult to solve. Depending on the number of variables which involved, this approaches could be too expensive in terms of computation time. Moreover, the state-variables constraints of the problem lead to numerical di_culties, e.g., considering the indirect numerical shooting method. Tailored on aircraft conflict avoidance problems, a detection and a determination of a priori conflict zones allow the decomposition of the optimal control problem into sub-problems, easier to solve than the original one. Solving the o_-zones sub-problems can be addressed using the Pontryagin maximum principle, which allows in this case directly the solution. A combination of direct numerical shooting method and application of conditions of Pontryagin's maximum principle is proposed, and numerical experiments validate this approach.

Applications such as urban surveillance, search and rescue, agricultural applications, military applications, etc., require miniature air vehicles (MAVs) to fly for a long time. But they have restricted flight duration due to their dependence on battery life, which necessitates optimal path planning. The generated optimal path should obey the curvature limits prescribed by the minimum turn radius/ maximum turn rate of the MAV. Further, in a dynamically changing environment, the final configuration that the MAV has to achieve may change en route, which demands the path to be replanned by an airborne processor in real-time. As MAVs are small in size and light in weight, wind has a very significant effect on the flight of MAVs and the computation of the minimum-time path in the presence of wind plays an important role. The thesis develops feasible trajectory generation algorithms which are fast, efficient, optimal and implementable in an onboard computer for rectilinear and circular path convergence problems and waypoint following problems both in the absence and in the presence of wind. The first part of the thesis addresses the problem of computation of optimal trajectories when MAVs fly on a two-dimensional (2D) plane maintaining a constant altitude. The shortest path is computed for MAVs from a given initial position and orientation to a given final path with a specified direction as required for a given mission. Unlike the classical Dubins problem where the shortest path was computed between two given configurations (position and orientation), the final point in this case is not specified. However, the final path, which can either be a rectilinear path or a circular path, and the direction to which the MAV should converge, is specified. The time-optimal path of MAVs is developed in the presence of wind mainly using the geometric approach although a few important properties are also obtained using optimal control theory, specifically, Pontryagin’s minimum principle (which provides only the necessary condition for optimality) for control-constrained systems. The complete optima l solution to this problem in all its generality is a major contribution of this thesis as existing methods in the literature that address this problem are either not optimal or do not give a complete solution. Further, the time-optimal path for specified initial and final configurations is generated in reasonably short time without computing all the path lengths of possible candidate paths, which is the method that exists in the literature for similar problems. Simulation results illustrate path generation for various cases, including the presence of steady and time-varying wind. Another problem in MAV path planning in 2D addressed in this thesis computes an extremal path that transitions between two consecutive waypoint segments (obtained by joining two way points in sequence) in a time-optimal fashion. This designed trajectory, named as γ-trajectory, is also used to track the maximum portion of waypoint segments in minimum time and the shortest distance between this trajectory and the associated waypoint can be set to a desired value. Another optimal path, called the loop trajectory, that goes through the way points as well as through the entire waypoint segments, is also proposed. Subsequently, the thesis proposes algorithms to generate trajectories in the presence of steady wind and compares these with the optimal trajectory generated using nonlinear programming based multiple shooting method to show that the generated paths are optimal in most cases. In three-dimensional (3D) space, if the initial and final configurations – in terms of (X,Y,Z) position, heading angle and flight path angle- of the vehicle are specified then shortest path computation is an interesting problem in literature. The proposed method in this thesis is based on 3D geometry and, unlike the existing iterative methods which yield suboptimal paths and are computationally more intensive, this method generates the shortest path in much less time. Due to its simplicity and low computational requirements, this approach can be implemented on a MAV in real-time. But, If the path demands very high pitch angle (as in the case of steep climbs), the generated path may not be flyable for an aerial vehicle with limited range of flight path angles. In such cases numerical methods, such as multiple shooting, coupled with nonlinear programming, are used to obtain the optimal solution. The time-optimal 3D path is also developed in the presence of wind which has a magnitude comparable to the speed of MAVs. The simulation results show path generation for a few sample cases to show the efficacy of the proposed approach as compared to the available approach in the literature. Next, the path convergence problem is studied in 3D for MAVs. The shortest path is generated to converge to a rectilinear path and a circular path starting from a known initial position and orientation. The method is also extended to compute the time-optimal path in the presence of wind. In simulation, optimal paths are generated for a variety of cases to show the efficacy of the algorithm. The other problem discussed in this thesis considers curvature-constrained trajectory generation technique for following a series of way points in 3D space. Extending the idea used in 2D, a γ-trajectory in 3D is generated to track the maximum portion of waypoint segments with a desired shortest distance between the trajectory and the associated waypoint. Considering the flyability issue of the plane a loop-trajectory is generated which is flyable by a MAV with constrained flight path angle. Simulation results are given for illustrative purposes. The path generation algorithms are all based on a kinematic model, considering the vehicle as a point in space. Implementing these results in a real MAV will require the dynamics of the MAV to be considered. So, a 6-DOF SIMULINK model of a MAV is used to demonstrate the tracking of the computed paths both in 2D plane and in 3D space using autopilots consisting of proportional-integral-derivative (PID )controllers .Achieving terminal condition accurately in real-time, if there is noisy measurement of wind data, is also addressed.

L’objectif de cette thèse est d’appliquer la théorie du contrôle optimal à la dynamique de systèmes quantiques. Le premier point consiste à introduire dans le domaine du contrôle quantique des outils de contrôle optimal initialement développés en mathématique. Cette approche a ensuite été appliquée sur différent types de systèmes quantiques décrit par une grande ou une petite dimension. La première partie du manuscrit introduit les différents outils de contrôles utilisés avec une approche adaptée à un public de physiciens. Dans la seconde partie, ces techniques sont utilisées pour contrôler la dynamique des spins en RMN et IRM. La troisième partie s’intéresse au développement de nouveaux algorithmes itératifs de contrôle optimal appliqués au contrôle par champ laser de la dynamique rotationnelle des molécules linéaires en phases gazeuse ainsi qu’au développement d’une stratégie de contrôle simple permettant de délocaliser une molécule dans un plan. La quatrième partie traite le contrôle en temps minimum d’un condensat de Bose-Einstein à deux composantes. La dernière partie permet de comparer qualitativement et quantitativement les différentes méthodes de contrôle optimal utilisées. Les seconde et troisième parties ont également bénéficier de l’implémentation expérimentale des solutions de contrôle optimal obtenues. / The goal of this thesis is to apply the optimal control theory to the dynamics of quantum systems.The first part aim at introducing the tools of optimal control in quantum control which were initially developedin mathematics. This approch has been applied on different kinds of quantum system with small and largedimensions. The first part of this manuscript introduces the optimal control tools which are used with a pointof view suited to a public of physicists. In the second part these techniques are used to control the dynamics ofspins in NMR and MRI. The third part deals with the development of new iterative algorithms applied to thecontrol by laser fields of the rotational dynamics of linear molecules in a gaz phases and the development of asimple control strategy allowing to delocalize a molecule in a plan. The fourth part treats the time-minimumcontrol of a two-component Bose Einstein condensate. The last part compares the different optimal controlmethods used qualitatively and quantitatively. The solution found in the second and third parts have been alsoapplied experimentally.

M-matrices are extensively employed in numerical analysis. These matrices can be generalized by corresponding operators on a partially ordered normed space. We extend results which are well-known for M-matrices to this more general setting. We investigate two different notions of an M-operator, where we focus on two questions: 1. For which types of partially ordered normed spaces do the both notions coincide? This leads to the study of positive-off-diagonal operators. 2. Which conditions on an M-operator ensure that its (positive) inverse satisfies certain maximum principles? We deal with generalizations of the "maximum principle for inverse column entries". / M-Matrizen werden in der numerischen Mathematik vielfältig angewandt. Eine Verallgemeinerung dieser Matrizen sind entsprechende Operatoren auf halbgeordneten normierten Räumen. Bekannte Aussagen aus der Theorie der M-Matrizen werden auf diese Situation übertragen. Für zwei verschiedene Typen von M-Operatoren werden die folgenden Fragen behandelt: 1. Für welche geordneten normierten Räume sind die beiden Typen gleich? Dies führt zur Untersuchung außerdiagonal-positiver Operatoren. 2. Welche Bedingungen an einen M-Operator sichern, dass seine (positive) Inverse gewissen Maximumprinzipien genügt? Es werden Verallgemeinerungen des "Maximumprinzips für inverse Spalteneinträge" angegeben und untersucht.

Cette thèse est une contribution au calcul des variations et à la théorie du contrôle optimal dans les cadres discret, plus généralement time scale, et fractionnaire. Ces deux domaines ont récemment connu un développement considérable dû pour l’un à son application en informatique et pour l’autre à son essor dans des problèmes physiques de diffusion anormale. Que ce soit dans le cadre time scale ou dans le cadre fractionnaire, nos objectifs sont de : a) développer un calcul des variations et étendre quelques résultats classiques (voir plus bas); b) établir un principe du maximum de Pontryagin (PMP en abrégé) pour des problèmes de contrôle optimal. Dans ce but, nous généralisons plusieurs méthodes variationnelles usuelles, allant du simple calcul des variations au principe variationnel d’Ekeland (couplé avec la technique des variations-aiguilles), en passant par l’étude d’invariances variationnelles par des groupes de transformations. Les démonstrations des PMPs nous amènent également à employer des théorèmes de point fixe et à prendre en considération la technique des multiplicateurs de Lagrange ou encore une méthode basée sur un théorème d’inversion locale conique. Ce manuscrit est donc composé de deux parties : la Partie 1 traite de problèmes variationnels posés sur time scale et la Partie 2 est consacrée à leurs pendants fractionnaires. Dans chacune de ces deux parties, nous suivons l’organisation suivante : 1. détermination de l’équation d’Euler-Lagrange caractérisant les points critiques d’une fonctionnelle Lagrangienne ; 2. énoncé d’un théorème de type Noether assurant l’existence d’une constante de mouvement pour les équations d’Euler-Lagrange admettant une symétrie ; 3. énoncé d’un théorème de type Tonelli assurant l’existence d’un minimiseur pour une fonctionnelle Lagrangienne et donc, par la même occasion, d’une solution pour l’équation d’Euler-Lagrange associée (uniquement en Partie 2) ; 4. énoncé d’un PMP (version forte en Partie 1, version faible en Partie 2) donnant une condition nécessaire pour les trajectoires qui sont solutions de problèmes de contrôle optimal généraux non-linéaires ; 5. détermination d’une condition de type Helmholtz caractérisant les équations provenant d’un calcul des variations (uniquement en Partie 1 et uniquement dans les cas purement continu et purement discret). Des théorèmes de type Cauchy-Lipschitz nécessaires à l’étude de problèmes de contrôle optimal sont démontrés en Annexe. / This dissertation deals with the mathematical fields called calculus of variations and optimal control theory. More precisely, we develop some aspects of these two domains in discrete, more generally time scale, and fractional frameworks. Indeed, these two settings have recently experience a significant development due to its applications in computing for the first one and to its emergence in physical contexts of anomalous diffusion for the second one. In both frameworks, our goals are: a) to develop a calculus of variations and extend some classical results (see below); b) to state a Pontryagin maximum principle (denoted in short PMP) for optimal control problems. Towards these purposes, we generalize several classical variational methods, including the Ekeland’s variational principle (combined with needle-like variations) as well as variational invariances via the action of groups of transformations. Furthermore, the investigations for PMPs lead us to use fixed point theorems and to consider the Lagrange multiplier technique and a method based on a conic implicit function theorem. This manuscript is made up of two parts : Part A deals with variational problems on time scale and Part B is devoted to their fractional analogues. In each of these parts, we follow (with minor differences) the following organization: 1. obtaining of an Euler-Lagrange equation characterizing the critical points of a Lagrangian functional; 2. statement of a Noether-type theorem ensuring the existence of a constant of motion for Euler-Lagrange equations admitting a symmetry;3. statement of a Tonelli-type theorem ensuring the existence of a minimizer for a Lagrangian functional and, consequently, of a solution for the corresponding Euler-Lagrange equation (only in Part B); 4. statement of a PMP (strong version in Part A and weak version in Part B) giving a necessary condition for the solutions of general nonlinear optimal control problems; 5. obtaining of a Helmholtz condition characterizing the equations deriving from a calculus of variations (only in Part A and only in the purely continuous and purely discrete cases). Some Picard-Lindelöf type theorems necessary for the analysis of optimal control problems are obtained in Appendices.

Les Energies Marines Renouvelables (EMR) se développent aujourd’hui très vite tant au niveau de la recherche amont que de la R&D, et même des premiers démonstrateurs à la mer. Parmi ces EMR, l'énergie des vagues présente un potentiel particulièrement intéressant. Avec une ressource annuelle brute moyenne estimée à 40 kW/m au large de la côte atlantique, le littoral français est plutôt bien exposé. Mais l’exploitation à grande échelle de cette énergie renouvelable ne sera réalisable et pertinente qu'à condition d'une bonne intégration au réseau électrique (qualité) ainsi que d'une gestion et d'un dimensionnement optimisé au sens du coût sur cycle de vie. Une première solution de génération tout électrique pour un houlogénérateur a d’abord été évaluée dans le cadre de la thèse de Marie RUELLAN menée sur le site de Bretagne du laboratoire SATIE (ENS de Cachan). Ces travaux ont mis en évidence le potentiel de viabilité économique de cette chaîne de conversion et ont permis de poser la question du dimensionnement de l’ensemble convertisseur-machine et de soulever les problèmes associés à la qualité de l’énergie produite. Puis une seconde thèse a été menée par Judicaël AUBRY dans la même équipe de recherche. Elle a consisté, entre autres, en l’étude d’une première solution de traitement des fluctuations de la puissance basée sur un système de stockage par supercondensateurs. Une méthodologie de dimensionnement de l’ensemble convertisseur-machine et de gestion de l’énergie stockée fut également élaborée, mais en découplant le dimensionnement et la gestion de la production d’énergie et de ceux de son système de stockage. Le doctorant devra donc : 1. S’approprier les travaux antérieurs réalisés dans le domaine de la récupération de l’énergie des vagues ainsi que les modèles hydrodynamiques et mécaniques réalisés par notre partenaire : le LHEEA de l’Ecole Centrale de Nantes - 2. Résoudre le problème du couplage entre dimensionnement/gestion de la chaîne de conversion et dimensionnement/gestion du système de stockage. 3. Participer à la réalisation d’un banc test à échelle réduite de la chaine électrique et valider expérimentalement les modèles énergétiques du stockage et des convertisseurs statiques associés - 4. Proposer une méthodologie de dimensionnement de la chaine électrique intégrant le stockage et les lois de contrôle préalablement élaborées 5. Déterminer les gains en termes de capacités de stockage obtenus grâce à la mutualisation de la production (parc de machines) et évaluer l’intérêt d’un stockage centralisé - 6. Analyser l’impact sur le réseau d’une production houlogénérée selon divers scenarii, modèles et outils développés par tous les partenaires dans le cadre du projet QUALIPHE. L’exemple traité sera celui de l’Ile d’Yeu (en collaboration avec le SyDEV. / The work of this PhD thesis deals with the minimization of the per-kWh cost of direct-drive wave energy converter, crucial to the economic feasibility of this technology. Despite the simplicity of such a chain (that should provide a better reliability compared to indirect chain), the conversion principle uses an oscillating system (a heaving buoy for example) that induces significant power fluctuations on the production. Without precautions, such fluctuations can lead to: a low global efficiency, an accelerated aging of the fragile electrical components and a failure to respect power quality constraints. To solve these issues, we firstly study the optimization of the direct drive wave energy converter control in order to increase the global energy efficiency (from wave to grid), considering conversion losses and the limit s from the sizing of an electrical chain (maximum force and power). The results point out the effect of the prediction horizon or the mechanical energy into the objective function. Production profiles allow the study of the flicker constraint (due to grid voltage fluctuations) linked notably to the grid characteristics at the connection point. Other models have also been developed to quantify the aging of the most fragile and highly stressed components, namely the energy storage system used for power smoothing (with super capacitors or electrochemical batteries Li-ion) and power semiconductors.Finally, these aging models are used to optimize key design parameters using life-cycle analysis. Moreover, the sizing of the storage system is co-optimized with the smoothing management.