L'objectif de ce travail de thèse est de concevoir des algorithmes de commande et de navigation pour le suivi des cibles dynamiques au sol en utilisant des véhicules aériens. Les quaternions, qui fournissent une alternative aux représentations classiques de la dynamique des véhicules aériens, ont été choisis comme une base pour développer des contrôleurs robustes et des algorithmes de navigation agile, en raison de leurs avantages tels que l'absence de singularités et discontinuités, et leur simplicité mathématique lors de la manipulation des rotations. Les approches de commande explorées à l'aide de quaternions dans cette thèse commencent par le retour d'état, la passivité, et des contrôleurs basés sur l'énergie, jusqu'à des modes glissants, et des approches de saturation en trois dimensions. Ensuite, des stratégies de navigation autonomes et semi-autonomes pour quadrirotors ont été explorées. Un algorithme a été développé pour le pilotage d'un quadrirotor en utilisant des gestes d'un utilisateur portant un bracelet. Afin de faciliter le fonctionnement des multi rotors dans des scénarios défavorables, une stratégie de déploiement agressive a été proposée ou un quadrirotor est lancé à la main avec ses moteurs éteints. Finalement, des techniques de navigation autonomes pour le suivi des cibles dynamiques ont été conçues. Un algorithme de génération de trajectoire basée sur des équations différentielles a été introduit pour le suivi d'un véhicule terrestre tout en décrivant des cercles. Enfin un algorithme de planification de chemin distribué a été développé pour une flottille de drones, afin de suivre de façon autonome des cibles au sol, en résolvant un problème d'optimisation en ligne. / The objective of this thesis work is to design control and navigation algorithms for tracking of dynamic ground targets using aerial vehicles. Quaternions, which provide an alternative to the classical representations of aerial vehicle dynamics, have been chosen as a basement to develop robust controllers and agile navigation algorithm, due to their advantages such as the absence of singularities and discontinuities and their mathematical simplicity when handling rotations. The quaternion-based control approaches explored in this thesis range from state feedback, passivity, and energy-based controllers, up to sliding modes, and three-dimensional saturation approaches. Then, autonomous and semi-autonomous navigation strategies for quadrotors were explored. An algorithm has been developed for controlling a quadrotor using gestures from a user wearing an armband. To facilitate the operation of multirotors in adverse scenarios, an aggressive deployment strategy has been proposed where a quadrotor is launched by hand With its motors turned off. Finally, autonomous navigation techniques for tracking dynamic targets have been designed. A trajectory generation algorithm based on differential equations has been introduced to track a land vehicle while describing circles. Finally a distributed path planning algorithm has been developed for a fleet of drones to autonomously track ground targets by solving an online optimization problem.

Le travail de cette thèse s’inscrit dans la commande non linéaire des structures éoliennes. Le premier objectif de cette thèse est la commande d’une éolienne standard fonctionnant à vitesse et angle de calage variables. Les stratégies de commande proposées permettant de commander l’éolienne dans des zones de fonctionnement différentes (optimisation et limitation de la puissance produite). Le deuxième objectif consiste en la conception de commande d’une nouvelle structure d’éolienne à double rotor. L’originalité de cette structure réside dans le fait qu’elle peut pivoter face au vent sans actionneur dédié, et ce grâce à la rotation libre du bras portant les deux éoliennes. Deux architectures de commande sont proposées afin d’orienter la structure face au vent : l’une crée un différentiel des angles de calage des pales des deux éoliennes, l’autre agissant via la différence de puissance produite par les deux génératrices. Étant donné que l’environnement est incertain et fortement perturbé (variations du vent, erreurs de modélisation, bruits de mesure), des lois de commande non linéaires robustes sont proposées. L’efficacité des stratégies de commande a été vérifiée selon différents scénarios. / This work deals the nonlinear control of wind turbine structures. The first objective is the design of control laws of a standard wind turbine with variable speed-variable pitch angle. The proposed control strategies allow controlling the wind turbine indifferent operating areas (optimization and powerlimitation).The second objective consists in controlling a new structure of twin wind turbines. The originality of this structure lies in the fact that it can rotate face the wind without using a dedicated actuator, thanks to the free rotation of the arm carrying the wind turbines. Two control architectures are proposed in order to ensure the structure face the wind : pitch angles differential and the produced power difference. Given that the environment is uncertain (windvariations, modeling errors, noise), robust nonlinear control laws are proposed for a multiple objectives. The efficiency of the control strategies have been carried out according to several scenarios.

Les téléphones et tablettes de dernière génération embarquent une puissance de calcul numérique très importante nécessitant une puissance électrique d’alimentation toute aussi significative. Afin de réduire la consommation énergétique des composants numériques complexes des terminaux mobiles, des techniques de modulation dynamique de la tension d’alimentation et de la fréquence de fonctionnement du cœur de calcul numérique sont utilisées. Le convertisseur DC/DC qui assure l’alimentation du cœur numérique doit donc faire face à de forts transitoires de charge, de tension de référence et de tension de source. Le contrôle en mode glissant d’un convertisseur DC/DC permet un bon compromis entre les performances transitoires du convertisseur, la réalisation via des composants analogiques et la puissance dissipée par le contrôleur. C’est pourquoi ce type de contrôle apparait être adapté au contrôle de convertisseurs DC/DC alimentant des cœurs numériques. Cette thèse a pour objet l’étude des alimentations sur carte électronique où le contrôleur et l’étage de puissance sont intégrés sur puce tandis que les composants de puissance passifs sont montés sur le circuit imprimé. Le contrôle en mode glissant à fréquence de découpage fixe d’un convertisseur DC/DC a été démontré avec des résultats significatifs. Cependant les performances transitoires d’un tel convertisseur sont amoindries en raison des délais introduits par une fréquence de découpage fixe. Une nouvelle structure de régulation de fréquence de découpage d’un convertisseur DC/DC contrôlé en mode glissant est proposée dans cette thèse. Cette structure régule la fréquence de découpage moyenne du convertisseur tout en maintenant la réponse transitoire du convertisseur asynchrone par rapport à l’horloge de référence. Une analyse de stabilité qui prend en compte les spécificités d’un tel système est aussi proposée. Le convertisseur a été conçu sur un procédé CMOS 130nm de STMicroelectronics. La fréquence de découpage est maintenue volontairement faible pour conserver un rendement élevé avec des composants passifs externes. Le prototype présente un rendement supérieur à 80% entre 2.4mW et 960mW de puissance de sortie. / Mobile applications necessitate nowadays huge digital-resources. Power management of a digital System-On-Chip (SOC) is based on dynamic voltage scaling. DC/DC converters used to supply the digital SoCs are facing stringent constraints with respect to load-transients, line-transients and reference tracking. Hysteretic control is known as the most convenient control scheme with a fair trade-off between transient performances, analog implementation and power consumption, particularly for one-phase architecture. The thesis focuses on-board DC/DC with a significant constraint on footprint (i.e. on components count and values). Fixed switching-frequency hysteretic control has been experimented with significant results. Transient performances are reduced due to latency introduced in the switching frequency control. The present study focuses on the improvement of the concept as well as its implementation and the analysis of stability. A new analog implementation of the sliding-mode control is presented with switching-frequency control using a particular analog phase-locked-loop but preserve transient performances. The DC/DC converter is implemented in CMOS 130nm by STMicroelectronics. The switching frequency range has been voluntarily limited and excludes the possible integration of passive components for the sake of silicon access. A hybrid demonstrator is presented with efficiency higher than 80\% between 2.4 mW and 960 mW output power.

De récentes études expérimentales sur des situations d'atterrissage d'hélicoptères à grande vitesse dit dur (vitesse supérieure à 2 m/s), ont révélé que de par l'effort structural transmis par les trains d'atterrissage couplés mécaniquement au fuselage, la poutre de queue d'un appareil dont le premier mode de flexion se situe dans les basses fréquences pouvait être excitée. Les oscillations de celle-ci génèrent des contraintes mécaniques au niveau de la liaison entre la cabine et la poutre de queue qui portent atteinte à la pérennité de la structure. Afin de lutter contre ce phénomène problématique, une solution passive consiste à rigidifier la liaison entre la cabine et la poutre de queue. Coûteuse en masse et interférente avec le bon fonctionnement des dispositifs anti-vibratoires dimensionnés en fonction des fréquences propres initiales de l'appareil, celle-ci peut être évitée par une optimisation de l'effort transmis par les trains d'atterrissage en agissant sur le comportement dynamique de ceux-ci. Fort de ce constat, les travaux de recherche présentés dans ce mémoire, concernent l'étude et le développement de méthodes d'optimisation passive et active des trains d'atterrissage en vue de minimiser les efforts supportés par la poutre de queue et induits par l'impact de l'appareil sur le sol. Basé sur une constante synergie entre les aspects théoriques et les aspects expérimentaux appuyés par le développement d'un démonstrateur, cette étude formalise tout d'abord la problématique lié aux atterrissages des aéronefs et se propose d'analyser la physique du phénomène des atterrissages via des outils de modélisation utilisant des approches analytique et multi-corps. Ensuite après une analyse et une identification des paramètres d'optimisation de la dynamique des trains d'atterrissage, des méthodes d'optimisation passive et semi-active sont développées et validées expérimentalement sur un démonstrateur mécaniquement équivalent à l'hélicoptère considéré pour cette étude.

Ce travail présente des techniques, basées sur les modes glissants, permettant d'estimer des paramètres, de reconstruire des variables (observateur) et/ou de commander un moteur pas-à-pas. Le but étant de réaliser un suivi de trajectoire en position robuste avec un minimum de capteurs. Après avoir défini le contexte de l'étude, la planification et l'optimisation des trajectoires et les objectifs, le banc réalisé au LAGIS est décrit. Il est alors présenté une identification des paramètres par plusieurs méthodes. Les propriétés de platitude du moteur pas-à-pas sont utilisées. Des commandes classiques sont rapidement développées et illustrées de résultats expérimentaux. Cependant, elles ne sont pas assez de robustes vis à vis de perturbations internes (incertitudes ou variations paramétriques) ou externes (couple de charge). Pour pallier ce problème, des lois de commande par modes glissants, d'ordre 1 et 2, sont alors utilisées. Après une description, des expérimentations sont menées qui démontrent les qualités des modes glissants. Un nouveau mode glissant d'ordre 3, basé sur l'homogénéité géométrique et un terme additionnel de type mode glissant intégral, est introduit pour diminuer la réticence. Les résultats expérimentaux montrent une très bonne précision, une diminution de la réticence et de la consommation énergétique. Pour les commandes d'ordre deux et trois, des observateurs par modes glissants d'ordre 2 sont utilisés avec succès pour se passer d'un capteur de vitesse.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Automatique et Informatique industrielle : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3895. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 133-143.

La transmission à double embrayage a été introduite dans les véhicules afin d'améliorer le confort de conduit, l'économie de conduite et de diminuer le temps de changement de vitesses. La gestion du double embrayage joue un rôle important sur le confort de conduite. L'objectif principal de ce travail concerne alors la synthèse des lois de commande du double embrayage en phase de décollage et lors du changement de vitesses. Le mémoire est structuré de la façon suivante : le premier chapitre propose un état de l'art sur le groupe motopropulseur, la modélisation et la commande du groupe motopropulseur. Le second chapitre s'intéresse à la modélisation du groupe motopropulseur à double embrayage : dans une première partie, un modèle complet à simuler est développé, puis la deuxième partie propose une simplification de modèle en vue de la commande. Le troisième chapitre aborde les lois de commande du double embrayage en utilisant la technique de commande par mode glissant pour les systèmes multivariables. Le quatrième chapitre propose l'utilisation des modèles flous du type Takagi-Sugeno pour la synthèse des lois de commande. Dans une première partie, des lois de commande basées sur un modèle Takagi-Sugeno prenant en compte des incertitudes et des perturbations sont établies. Afin d'améliorer la performance de la loi de commande lors du changement de vitesses supérieures, la deuxième partie présente une loi de commande basée sur un modèle de Takagi-Sugeno incertain et perturbé à commutations. Enfin, des résultats de simulation obtenus en considérant le modèle complet développé dans le chapitre 2 sont donnés.

Les travaux décrits dans le mémoire concernent la modélisation, l'analyse et la commande de systèmes dynamiques à caractère le plus souvent hétérogène, à partir d'approches privilégiant les formes de représentation de connaissance. Ils se caractérisent à la fois par un souci de généricité dans les démarches méthodologiques, et par une grande diversité d'objets. Le volet modélisation s'appuie essentiellement sur le choix de l'outil bond graph, qui permet une approche unifiée de l'hétérogénéité physique basée sur le point de vue de l'énergie. Cet outil est d'abord utilisé à des fins de modélisation pure dans des domaines variés allant de la mécatronique au vivant (physiologie cardiovasculaire) en passant par l'électronique de puissance (convertisseurs statiques). L'apport majeur des travaux dans ces domaines consiste en un élargissement du champ de validité de l'approche bond graph à de nouvelles classes de systèmes complexes, avec pour chacune d'entre elles la recherche de démarches de synthèse systématiques. Les principales formes de complexité abordées partagent pour la plupart un caractère hybride, ce qualificatif étant compris dans une acception large qui recouvre trois aspects différents : le couplage entre plusieurs domaines de la physique (pluridisciplinarité), entre des paramètres localisés et répartis (hybridisme spatial), entre des dynamiques continues et des événements discrets (hybridisme temporel, notion de commutation). Dans le prolongement logique de ce premier volet d'activités, une partie importante des travaux concerne l'analyse formelle de modèles bond graphs, à travers l'extension de méthodologies existantes et le développement de nouvelles approches. Une première catégorie de méthodologies étudiées vise à générer, à partir de modèles en bond graph, d'autres types de représentations dynamiques telles que des formes d'état dans le domaine temporel ou des fonctions de transfert dans le domaine symbolique, avec en particulier l'enjeu d'expliciter des modèles initialement implicites, pour faciliter leur simulation et rendre possible l'utilisation de solveurs standards. Une deuxième catégorie de méthodes d'analyse vise directement à exploiter les modèles bond graphs afin de mettre en évidence certaines propriétés structurelles des systèmes dynamiques qu'ils représentent (telles que la platitude différentielle). À l'intérieur de ce volet consacré à l'analyse formelle, une place centrale est accordée à la thématique des systèmes à commutations, qui inscrit les travaux correspondants dans l'axe des systèmes dynamiques hybrides (au sens temporel) propre à l'équipe ASH. Le troisième et dernier grand volet des activités de recherche présentées est consacré à la commande. Il vient à son tour en complément naturel des deux précédents, mais fait l'objet de développements théoriques décorrélés du bond graph, étant essentiellement abordé à travers une approche fondée sur le concept non linéaire de mode glissant. La commande par mode glissant, principe bien connu et largement mis en œuvre dans de nombreuses applications, y est envisagée dans le contexte spécifique des systèmes à entrées logiques (dont les systèmes à commutations sont un cas particulier). De nouvelles stratégies de commande par mode glissant à valeurs binaires sont développées, qui rendent ces lois directement applicables aux systèmes à entrées logiques, au lieu d'être approchées en moyenne par le biais d'une modulation de largeur d'impulsion (MLI).

Les avancées technologiques, dues à l’avènement des nouvelles technologies d’information etde communication, ont donné naissance au concept des Systèmes de Transport Intelligents (STI).Les objectifs de telles applications consistent à apporter des solutions efficaces pour faire face auxproblèmes quotidiens des phénomènes de congestion. L’importance ainsi que les enjeux socioéconomiquesposés par les congestions imposent d’introduire des solutions innovantes utilisantles avancées récentes dans le domaine de la commande. Les travaux présentés dans cette thèse sesituent dans le cadre des STI et traitent des problèmes de la commande du trafic autoroutier et surles Voies Rapides Urbaines (VRU). Parmi les techniques de commande utilisée, nos travaux se focalisentprincipalement sur le contrôle d’accès isolé. L’objectif d’une telle action de régulation estd’agir sur le débit des rampes d’entrée, via des feux de signalisation, afin de maintenir la densitésur la voie principale aux alentours d’un seuil critique permettant ainsi, une utilisation optimale del’infrastructure autoroutière ou des VRU. L’algorithme proposé repose sur l’utilisation conjointede la platitude différentielle et le concept de la commande par mode glissant d’ordre supérieur. Laprincipale caractéristique de la platitude réside dans sa capacité à assurer une génération de trajectoiressans intégration d’aucune équation différentielle du modèle étudié. L’intérêt de la commandepar mode glissant d’ordre supérieur est de permettre le suivi de trajectoires d’une manière robustemême en présence d’incertitudes et de perturbations typiques aux systèmes de trafic. La pertinencede l’approche proposée est validée via un ensemble de simulations avec des données réelles d’uneportion de l’autoroute A6 du périphérique de Paris. De plus, la validation a été enrichie par l’évaluationde performances basée sur des critères couramment utilisés par les exploitants. L’ensembledes résultats ouvre la voie à plusieurs perspectives d’amélioration et de généralisation de cettecommande à des réseaux routiers plus complexes. / The technological advances, due to the advent of the new information and communication technologieshave given rise to the Intelligent Transportation Systems (ITS) concept. The objectivesof such applications are to provide effective solutions to deal with the daily problems of congestion.The importance as well as the socio-economic challenges raised by congestion requires theintroduction of innovative solutions based on the latest advances in the automatic control field. Theworks presented in this thesis lie in the frame of ITS and treat the problems of the freeway andUrban Express Routes (UER) control. Among the used control techniques, our works focus mainlyon the isolated ramp metering. The objective of this control measurement is to act on the on-rampflow, through traffic lights, in order to keep the traffic density on the mainstream section around acritical threshold allowing then an optimal use of the freeway or UER infrastructures. The proposedalgorithm rests on the jointly use of differential flatness and high order sliding mode control(HOSMC) concept. The main characteristic of the differential flatness lies in its ability to providea trajectory generation, without integration of any differential equation of the studied model. Onthe other hand, the advantage of HOSMC is to allow a robust trajectory tracking even in the case ofthe presence of uncertainties and disturbances which are typical to traffic systems. The relevanceof the proposed approach is validated through a set of numerical simulations using real-data froma part of the A6 freeway from Paris ring. In addition, the validation step has been enriched by theperformance evaluation based on a set of criteria commonly used by the freeway practitioners. Theobtained results paves the way to several perspectives in order to improve the proposed controlapproach and its generalization for more complex freeway networks.

La commande du système de Direction Assistée Electrique (DAE) est un défi majeur en raison de ses multiples objectifs et de la nécessitée de réaliser plusieurs mesures pour la mettre en oeuvre. La commande doit assurer : le suivi du couple d’assistance de référence tout en assurant la stabilité du système et sans introduire des retards, l’atténuation des vibrations provoquées par chacune des entrées du système, la transmission des informations de la route au conducteur pour un bon confort et une meilleure sensation de conduite, l’amélioration de la performance de retour au centre. La commande doit également être robuste vis-à-vis des erreurs de modélisation, des incertitudes des paramètres, et des perturbations extérieures. En outre, la mise en oeuvre de la commande nécessite plusieurs mesures telles que : l’angle au volant, l’angle du moteur, la vitesse du moteur, le couple conducteur et le couple de réaction de la route. / The control of Electric Power Assisted Steering (EPAS) system is a challengingproblem due to the multiple objectives and the need of several pieces of information to implement the control. The control objectives are to generate assist torque with fast responses to driver’s torque commands, insure system stability, attenuate vibrations, transmit the road information to the driver, and improve the steering wheel returnability and free control performance. The control must also be robust against modeling errors and parameter uncertainties. In addition, several pieces of information are required to implement the control, such as steering wheel angle, motor velocity, driver torque and road reaction torque.