<p dir="ltr">Introduces a new framework and state-of-the-art algorithm in closed-loop prediction for motion planning under differential constraints. More specifically, this work introduces the idea of sampling on specific "sampling regions" rather than the entire workspace to speed-up the motion planning process by orders of magnitude.</p>

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: This project concerns motion planning for a rotary wing UAV, where vehicle controllers are already in place, and map data is readily available to a collision detection module. In broad terms, the goal of the motion planning algorithm is to provide a safe (i.e. obstacle free) flight path between an initial- and goal waypoint. This project looks at two specific motion planning algorithms, the Rapidly Exploring Random Tree (or RRT*), and the Probabilistic Roadmap Method (or PRM). The primary focus of this project is learning how these algorithms behave in specific environments and an in depth analysis is done on their differences. A secondary focus is the execution of planned paths via a Simulink simulation and lastly, this project also looks at the effect of path replanning. The work done in this project enables a rotary wing UAV to autonomously navigate an uncertain, dynamic and cluttered environment. The work also provides insight into the choice of an algorithm for a given environment: knowing which algorithm performs better can save valuable processing time and will make the entire system more responsive. / AFRIKAANSE OPSOMMING: ’n Tipiese vliegstuuroutomaat is daartoe in staat om ’n onbemande lugvaartvoertuig (UAV) so te stuur dat ’n stel gedefinieerde punte gevolg word. Die punte moet egter vooraf beplan word, en indien enige verandering nodig is (bv. as gevolg van veranderinge in die omgewing) is dit nodig dat ’n menslike operateur betrokke moet raak. Vir voertuie om ten volle outonoom te kan navigeer, moet die voertuig in staat wees om te kan reageer op veranderende situasies. Vir hierdie doel word kinodinamiese beplanningsalgoritmes en konflikdeteksiemetodes gebruik. Hierdie projek behels kinodinamiese beplanningsalgoritmes vir ’n onbemande helikopter, waar die beheerders vir die voertuig reeds in plek is, en omgewingsdata beskikbaar is vir ’n konflikdeteksie-module. In breë terme is die doel van die kinodinamiese beplanningsalgoritme om ’n veilige (d.w.s ’n konflikvrye) vlugpad tussen ’n begin- en eindpunt te vind. Hierdie projek kyk na twee spesifieke kinodinamiese beplanningsalgoritmes, die “Rapidly exploring Random Tree*” (of RRT*), en die “Probabilistic Roadmap Method” (of PRM). Die primêre fokus van hierdie projek is om die gedrag van hierdie algoritmes in spesifieke omgewings te analiseer en ’n volledige analise te doen op hul verskille. ’n Sekondêre fokus is die uitvoering van ’n beplande vlugpad d.m.v ’n Simulink-simulasie, en laastens kyk hierdie projek ook na die effek van padherbeplanning. Die werk wat gedoen is in hierdie projek stel ’n onbemande helikopter in staat om outonoom te navigeer in ’n onsekere, dinamiese en besige omgewing. Die werk bied ook insig in die keuse van ’n algoritme vir ’n gegewe omgewing: om te weet watter algoritme beter uitvoertye het kan waardevolle verwerkingstyd bespaar, en verseker dat die hele stelsel vinniger kan reageer.

Cette étude a porté sur l’analyse de l’énantiosélectivité de la lipase de Burkholderia cepacia (BCL) pour les acides 2-substitués, synthons chiraux d’intérêt pharmaceutique, avec pour objectif d’examiner le rôle de l’accès au site actif enfoui de BCL sur l’énantiosélectivité et de développer une procédure d’ingénierie permettant de créer des mutants d’énantiosélectivité améliorée. Pour traiter le problème, une nouvelle approche de calcul, basée sur des algorithmes de planification de mouvements issus de la robotique a été développée. Elle permet l’exploration conformationnelle des espaces multi-dimensionnels contraints et a été appliquée au calcul des trajectoires de plusieurs racémiques dans le site actif de BCL et à l’identification de résidus pouvant potentiellement gêner le déplacement du substrat le long du site actif. Les résultats obtenus in silico ont révélé une corrélation qualitative avec les valeurs d’énantiosélectivité et ont permis de proposer des cibles de mutagénèse. Sur cette base, l’ingénierie du site actif de BCL a été entreprise pour moduler sélectivement l’accès des énantiomères R et S à la triade catalytique. Un système d’expression hétérologue de BCL chez E. coli compatible avec une expression en microplaque, a été développé. Une librairie de 57 (3x19) mono-mutants sur les positions : Leu17, Val266 et Leu287 a été construite par iPCR puis criblée en utilisant une procédure à moyen débit pour identifier les variants actifs pour l’hydrolyse du pNPB. L’énantiosélectivité de ces mutants a ensuite été évaluée pour l’hydrolyse du racémique (R,S)-2 bromophényl acétate de 2-chloro-éthyle, par utilisation d’une nouvelle procédure de criblage en deep-wells. Ce crible a permis de mettre en évidence plusieurs mutants dont les plus prometteurs ont été caractérisés. Ainsi les mutants Leu17Ser et Leu17Met présentent une augmentation de l’énantiosélectivité d’un facteur 10 accompagnée d’une augmentation de leur activité d’un facteur 4 à 5. Le mutant Val266Gly présente, quant à lui, une inversion de l’énantiosélectivité pour le substrat d’intérêt. L’étude des trajectoires par les techniques de planification combinée à une représentation sous la forme de carte de voxels a été réalisée en parallèle. Pour les mutants sélectionnés, une bonne corrélation a été observée entre les résultats obtenus in silico et expérimentalement. De plus, cela a permis de proposer de nouvelles combinaisons de mutations ayant conduit à l’identification de deux double-mutants Leu17Met/Val266Met et Leu17Ser/Leu287Ile d’énantiosélectivité supérieure à 150 pour le substrat modèle, révélant ainsi l’intérêt de l’approche semi-rationnelle proposée / This work has been focused on the understanding of the Burkholderia cepacia lipase (BCL) enantioselectivity towards 2-substituted acids which are chiral building blocks of pharmaceutical interest. The main objective of this work was the investigation of the potential role of substrate accessibility toward the buried active site of BCL on enantioselectivity and the development of an engineering procedure for the design of enantioselective mutants. To study further this hypothesis, a novel computational approach, based on motion-planning algorithms, originally used in robotics, was developed. It allows the conformational exploration of constrained high-dimensional spaces and was applied to the computation of trajectories for a set of racemates within the catalytic site. This methodology also enables the identification of residues potentially hindering substrates displacement along the active site. Results obtained in silico were correlated qualitatively with experimental values of enantioselectivity. On the basis of these results, engineering of the narrow active site of BCL has been undertaken to modulate selectively the access of R and S enantiomers to the catalytic triade. An heterologous expression system of BCL in E. coli compatible with production at microplate scale was developed. A library of 57 (3x19) variants targeted at positions Leu17, Val266 and Leu287 was built by iPCR and subsequently screened using a medium-throughput procedure to identify active variants against pNPB hydrolysis. Next, the enantioselectivity of these mutants was evaluated towards a given racemate, the (R,S)-2-chloro ethyl 2-bromophenylacetate, using a novel screening procedure developed in deep wells. Such screening enabled the identification of several variants amongst which the most promising were characterized. Mutants Leu17Ser and Leu17Met showed a remarkable 10-fold increase of their enantioselectivity and a 4- and 5-fold improvement of their specific activity. Compared to the wild-type enzyme, mutant Val266Gly displayed a reversed enantioselectivity for the substrate of interest. Investigation of the trajectories using motion-planning techniques combined to a voxel map representation was carried out. For selected variants, a fair correlation was observed between in silico and experimental results. Moreover, this enabled us to suggest novel combinations of mutations that led to the identification of two double-mutants Leu17Met/Val266Met and Leu17Ser/Leu287Ile showing an enantioselectivity value higher than 150 for the racemic substrate, revealing thus the effiency of the semi-rational strategy