Autonomous relative terrain navigation is a problem at the forefront of many space missions involving close proximity operations to any target body. With no definitive answer, there are many techniques to help cope with this issue using both passive and active sensors, but almost all require high fidelity models of the associated dynamics in the environment. Convolutional Neural Networks (CNNs) trained with images rendered from a digital terrain map (DTM) of the body’s surface can provide a way to side-step the issue of unknown or complex dynamics while still providing reliable autonomous navigation. This is achieved by directly mapping an image to a relative position to the target body. The portability of trained CNNs allows “offline” training that can yield a matured network capable of being loaded onto a spacecraft for real-time position acquisition. In this thesis the lunar surface is used as the proving ground for this optical navigation technique, but the methods used are not unique to the Moon, and are applicable in general.

With an increasing need for greater traffic safety, there is an increasing demand for means by which solutions to the traffic safety problem can be studied. The purpose of this thesis is to investigate the feasibility of using an autonomous indoor navigation system as a component in a demonstration system for studying cooperative vehicular scenarios. Our method involves developing and evaluating such a navigation system. Our navigation system uses a pre-existing localization system based on passive RFID, odometry and a particle filter. The localization system is used to estimate the robot pose, which is used to calculate a trajectory to the goal. A control system with a feedback loop is used to control the robot actuators and to drive the robot to the goal.   The results of our evaluation tests show that the system generally fulfills the performance requirements stated for the tests. There is however some uncertainty about the consistency of its performance. Results did not indicate that this was caused by the choice of localization techniques. The conclusion is that an autonomous navigation system using the aforementioned localization techniques is plausible for use in a demonstration system. However, we suggest that the system is further tested and evaluated before it is used with applications where accuracy is prioritized.

M.Ing. / There is a growing need to enhance situation awareness in the maritime environment utilizing new and current technologies. There are numerous ways to enhance situation awareness by employing long-range vision detection systems, data fusion techniques, such as combining radar and automatic identification system (AIS) data and data mining techniques that allow for filtering out anomalies. With the proliferation of high-quality video equipment and cheaper and faster computational machines, there is an increasing need for automated video surveillance as the amount of information available to the operator for processing is overwhelming. It is therefore necessary that only crucial information that may negatively impact mission effectiveness be presented to the operator. Whilst performing surveillance one would be interested in monitoring other surface vessels within the sensor coverage. The detection and tracking of small and slow moving targets having low signal-to-noise ratios is of interest in the maritime environment. This is particularly challenging as influences from the natural environment, such as sea states, glint, whitecaps and clutter, on a target is captured during image acquisition and this has adverse effects on the tracking of a target. A grey-scale based target tracking algorithm using the particle filter framework was developed and tested in MATLAB® (R2008a). The main focus of the work is on the use of dynamic models in a particle filtering framework. The dynamic model contributes to the propagation of the particles in a particle filtering framework of the target grey-scale distribution. The dynamic models investigated are the constant velocity model and an acceleration model. The algorithm was tested with real-world image sequences in the maritime environment. The targets were tracked for the duration of the image sequence and the dynamic model that accounted for acceleration yielded better results when analysing the position error between the estimated position and the ground truth data points. A slight improvement in this error makes a significant difference on tracking a target as targets in the maritime environment context are small. The future scope of the work would then include accounting for more features of the target such as edge cues and/or implementing adaptive observation models to improve the accuracy, stability and robustness of the algorithm for real-time applications.

La dégradation des terres dans le monde affecte directement plus d’un milliard d’hectares. Elle menace près de 35% des terres de la planète ainsi que les moyens de subsistance de deux milliards d’individus. Les estimations des pertes financières sont considérables chaque année. La dégradation des terres arides et semi-arides est une entrave au développement des pays concernés. Ce problème demeure insoluble et la communauté internationale organisée au sein de plusieurs instances n’ayant pas trouvé de solution pérenne, assiste impuissante à la progression du fléau malgré les efforts et expérimentations menées à travers le monde. L’urgence est de mise pour trouver des solutions qui soient à la fois techniques, sociales, économiques et culturelles.Ce constat appelle des réponses et la nécessité d’exploiter des approches basées sur les avancées des nouvelles techniques. La robotique mobile est une piste qui peut contribuer dans un avenir proche à freiner ce phénomène. Cette technologie recèle d’immenses possibilités dans plusieurs domaines : médical, aide à la personne, militaire, agricole et bien entendu dans la restauration des écosystèmes. La thèse s’inscrit dans le projet R-Stepps pour évaluer les capacités de résilience d’une solution basée sur les techniques robotiques. Elle expérimente une flotte de robots pour lutter contre la dégradation des terres et l’avancée de la désertification. Nous avons étudié et exploré les moyens de mettre au point une flotte de robots nomades pour remplir des missions de restauration des écosystèmes dégradés. Pour construire des systèmes mécatroniques simples et robustes nous avons mis au point des robots limités à une seule tâche.Nous avons développé une plateforme expérimentale composée de cinq robots capables de se coordonner et d’accomplir chacun une tâche spécifique (forage, plantage, arrosage, surveillance, guidage). Le démonstrateur sert à valider les modèles de navigation, de localisation, de planification ainsi que les procédures de plantation et de surveillance de l’environnement / Land degradation directly affects over a billion hectares throughout the world. It is a threat to almost 35% of the planet’s land as well as to the means of subsistence of two billion people. Estimations of heavy financial losses are increasing year after year. The degradation of arid and semi-arid lands is a serious drawback to the development of the countries concerned. This problem is today unsolved and since a number of organizations within the international community have not found an appropriate, perennial solution, we are powerlessly witnessing the progression of this plague despite the efforts and experiments carried out all over the world. It has become extremely urgent to find solutions that are not only technical, but also social, economic and cultural.This assessment calls for action and the need to exploit different approaches based on the most recent advanced technology. Mobile robotics are a lead to explore and may well contribute to slowing down this phenomenon in the near future. This technology offers endless possibilities in many fields: healthcare, personal assistance, military, agriculture and of course the restoring of ecosystems. It will therefore be necessary to follow the evolution of this sector and observe its effects on the environment and society in general in those regions affected by the phenomenon. Our findings aim to propose a technical solution, and the more general questions regarding societal consequences are not examined; our main concern is to demonstrate and evaluate the resilience capacity of a solution based on robotic techniques. This document is part of the R-Stepps project to experiment a fleet of robots to combat land degradation and reverse the progress of desertification. Its main mission is reforestation, maintenance and surveillance of such zones. The fleet of robots is composed of various platforms, each with a specific function. By limiting each robot to one task, this will ensure their solidity and simple design

Cette thèse a été réalisée sous convention CIFRE dans la cadre d’un partenariat entre la société MaxSea et le pôle recherche de l’ESTIA. La demande exprimée initialement par la société évoquait la nécessité d’améliorer la sécurité à bord des navires, autant d’un point de vue matériel et environnemental qu’humain. Ces travaux de thèse se situent donc au croisement de plusieurs domaines que sont la Réalité Augmentée, la Réalité Virtuelle, les systèmes d’information géographique, le génie logiciel, le traitement d’image et les sciences humaines et sociales. Le premier axe de ce mémoire concerne les apports relatifs à l’amélioration des connaissances du domaine de la réalité augmentée. Nous présentons dans ce chapitre les fondements de la réalité augmentée. Nous proposons, basés sur nos définitions et sur les travaux en réalité virtuelle, notre modèle d’interaction et d’immersion en réalité augmentée nommé 3i2RA.L’axe suivant permet de préciser la problématique liée à l’utilisation d’un système d’aide à la navigation par un état de l’art spécifique aux systèmes d’information géographique. Le troisième axe présente nos apports méthodologiques concernant la conception d’un outil d’aide à la navigation. L’objectif est de proposer une méthode permettant d’interfacer la modélisation des activités des navigateurs et une méthode agile de développement d’un logiciel. Pour illustrer notre méthode, après une présentation rapide de la méthode “Scrum”, nous présentons un cas pratique de conception d’un système d’information géographique pour l’aide à la navigation pour lequel nous nous sommes rapprochés de la Société Nationale de Sauvetage en Mer (SNSM).Enfin, le dernier axe présente nos apports technologiques mis en œuvre afin de réaliser les fonctionnalités demandées. Nous allons présenter dans ce chapitre l’architecture logicielle basée sur trois composants principaux et l’architecture matérielle de notre Système d’Information Géographique Maritime Augmenté, SIGMA. Nous présentons un cadre d’application de SIGMA pour la surveillance du trafic maritime. / This thesis was carried out under CIFRE partnership between the MaxSea company and the research ESTIA laboratory. The initial request made by the company referred to the need to improve safety on ships. This research thesis are at the crossroads of several areas such as Augmented Reality, Virtual Reality, geographic information systems, software engineering, image processing and social sciences. The first axis concerns the contributions to the improvement of knowledge in the field of augmented reality. In this chapter we present the foundations of augmented reality. We propose, based on our definitions and the work in virtual reality, our model of interaction and immersion in augmented reality, named 3i2RA.The next axis is used to specify the issues related to the use of navigational aids. The third axis presents our methodological contributions in the design of an aid to navigation. The goal is to provide a method for interfacing modeling activities and a method of agile software development. To illustrate our method, we present a practical design of a geographic information system for the navigation aid for which we approached the National Society Rescue Sea (SNSM).The last line shows our technological approach to achieve the required functionality. We will present in this section the software architecture based on three main components and the hardware architecture of our Geographic Information System Enhanced Maritime, SIGMA. We present a use case of SIGMA for traffic monitoring.

Les patients hémiparétiques présentent des troubles de la marche couramment évalués, lors d’une marche stabilisée en ligne droite, par des tests cliniques chronométriques et parfois par une analyse quantifiée de la marche explorant les paramètres biomécaniques de celle-ci. L’analyse de tâches de navigation dans l’environnement, impliquant des contraintes rencontrées au quotidien, apparait pertinente parallèlement à l’analyse de la marche stabilisée en ligne droite. Le test du Timed Up and Go (TUG) comprend des tâches de marche orientée vers une cible et de demi-tour, ce qui correspond à un grand nombre de déplacements effectués dans la vie quotidienne. Cependant la performance chronométrique obtenue à l’issue de ce test ne permet pas la compréhension des mécanismes à l’origine de cette performance. L’objectif principal de cette thèse est de caractériser les déplacements locomoteurs des patients hémiparétiques au cours de tâches de navigation telles que celles impliquées dans le TUG. Pour cela nous proposons une analyse biomécanique de leurs déplacements au cours des 3 phases de navigation du TUG (marche orientée vers l’obstacle, demi-tour et marche orientée vers le siège). Cette analyse concerne l’étude de la cinématique, de la stabilité et des trajectoires locomotrices de ces patients et de sujets sains. L’originalité de ce travail repose sur la caractérisation biomécanique de l’organisation des patients hémiparétiques lors de tâches de navigation, au moyen de paramètres innovants. La diminution de la performance chronométrique observée chez les patients hémiparétiques,comparativement aux sujets sains, s’explique tout d’abord par une diminution de la majorité des paramètres spatio-temporels et de la cinématique articulaire lors des 3 phases de navigation des patients. De plus, les résultats montrent que les phases de marche orientée sont contrôlées par les mêmes paramètres pour les patients hémiparétiques et les sujets sains, mais avec une pondération différente et, que la phase du demi-tour est contrôlée par des paramètres spécifiques différents. Les résultats mettent également en évidence des différences organisationnelles entre les patients hémiparétiques et les sujets sains, à savoir un défaut de stabilité, un ralentissement lors du demitour et une déviation de la trajectoire locomotrice pour les patients. Ces résultats suggèrent que les patients hémiparétiques mettent en place une stratégie consistant en un compromis entre la stabilité, la trajectoire et la performance pour une réalisation optimale des tâches de navigation telles que celles réalisées lors du TUG. Des répercussions sur la prise en charge clinique des patients hémiparétiques peuvent être envisagées à l’issue de ce travail. / The gait characteristics of patients with hemiparesis are usually assessed during stable, straightline gait. Clinical tests are mostly based on timed performance, although biomechanical gait analysis may be carried out. The analysis of navigational tasks that involve constraints encountered in daily life is necessary to increase understanding of gait deficits. The Timed Up and Go test (TUG) includes oriented gait towards a target, and turning tasks, typical of real-life gait. However, the simple analysis of performance time does not provide sufficient information regarding actual performance of the tasks. The main aim of this thesis was to characterize the locomotor displacements of hemiparetic patients during navigational tasks, such as those involved in the TUG. To this end, we carried out a biomechanical analysis of gait during the three navigational tasks of the TUG (oriented gait to the target, turning and oriented gait to the seat). We analysed the kinematics, stability and locomotor trajectories of patients and healthy subjects. This work is original because it provides a biomechanical characterization of the organization of gait in patients with hemiparesis during navigational tasks, using innovative parameters. The longer performance time in hemiparetic patients, compared with healthy subjects, was related to a decrease in the majority of spatio-temporal and joint kinematic parameters. Moreover, the results showed that oriented gait tasks were controlled by the same parameters in hemiparetic patients and healthy subjects, but in different proportions. In contrast, the turning task was controlled by different, specific parameters. Organizational differences between hemiparetic patients and healthy subjects were also highlighted, namely a lack of stability, slowing during the turn and deviation from the trajectory by the patients. These results suggest that hemiparetic patients use a strategy which is a compromise between stability, trajectory and performance for the optimal achievement of navigational tasks, such as these involved in the TUG. The implications of this work for the clinical management of hemiparetic patients are explained.

The thesis deals with the design and implementation of routing algorithms in trafic simulator TRASI. These algorithms are capable of planning vehicle's route by giving a set of crossroads that vehicle needs to go through. Furthermore, this work deals with design and implementation of stochastic navigation including implementation of communication between vehicles. Stochastic navigation suggests several alternative routes based on a traffic event. From these routes is randomly (stochastically) choosen one based on information about the throughput of particular found routes. In the introduction of this work is described the traffic simulator TRASI, it's user interface and basic control interface. Further is described theory of traffic flow on macroscopic and microscopic level, followed by the descripion of algorithms for oriented graphs traversal and their implementation in the simulator. In the following parts of this thesis is described communication layer, that takes care of the communication between vehicles, and it's implementation. Further is described design and implementation of stochastic navigation. In the final chapter is done verification of the functionality of the simulator and tests of particular routing algorithms.

This master thesis describes the principles of the Global Navigation Satellite System GNSS, specifically the GPS, GLONASS and Galileo systems. The thesis analyzes the structure of individual GNSS subsystems and introduces their properties. The algorithm for calculating the position is designed in the interactive programming environment MATLAB for the processing of GPS and GLONASS sampled signals. The position is calculated by a distance measurement method which searches for the intersection of spherical surfaces. The calculation is designed for four satellites and when more satellites are detected, the calculation is repeated for all possible combinations. From this position the combination with the lowest DOP (Dilution of Precision) factor is determined, and the calculation of the position is repeated for the best constellation of satellites. In this thesis the user graphical interface for entering the input of data, input parameters and the display of calculated values are created. Finally the calculation of the measured data is displayed on the selected location online map portal

Récemment, le robot dirigeable a attiré l'attention de plus en plus des chercheurs grâce à ses avantages par rapport à d'autres aéronefs, tels que la capacité de VTOL, le vol stationnaire et à basse vitesse, une grande autonomie, et une interaction Homme-Robot sûre, etc. Ainsi c'est une plate-forme idéale pour diverses applications d'intérieur. Dans cette thèse, nous étudions la modélisation et le contrôle du mouvement d'un robot dirigeable d'intérieur et développons un prototype pour les opérations intérieures comme la surveillance. Le travail est composé de parties théoriques et pratiques. Concernant la partie théorique, d’abord, sous des hypothèses raisonnables, le modèle dynamique à 6-DOF est simplifié et divisé en deux parties indépendantes: le mouvement de l’altitude et le mouvement dans le plan horizontal. Ensuite, à fin d'assurer la précision de la modélisation et du contrôle, le modèle nominal est complété par des termes de perturbation qui sont estimés en temps réel et compensés dans les contrôleurs conçus. Des simulations sont effectuées pour vérifier les performances et la robustesse des contrôleurs. Pour la partie pratique du travail, basée sur l'analyse des fonctionnalités du robot afin de réaliser les applications intérieures souhaitées, le matériel du robot dirigeable est conçu et créé. Enfin, de vrais tests sont effectués sur la plate-forme de robot dirigeable pour la validation des lois de contrôle de mouvement conçues, et des résultats satisfaisants sont obtenus. / Recently, the blimp robot has attracted more and more attentions of the researchers for its advantages compared to other aircrafts, such as ability for VTOL, stationary and low speed flight, long endurance in air and safe Human-Robot interaction, etc. Therefore it is an ideal platform for various indoor applications. In this thesis, we study the modeling and motion control of an indoor blimp robot, and develop a real robot for indoor operations such as the long-term surveillance. The work is composed of both theoretical and practical parts. For the theoretical part, first, under reasonable assumptions, the 6-DOF dynamic model is simplified and divided into two independent parts: the altitude motion and the horizontal plane movement. Then, to ensure the accuracy of modeling and control, the nominal model is complemented with disturbance terms which are estimated in real-time and compensated in the designed controllers. Simulations are carried out to verify the performance and robustness of the controllers. For the practical part of the work, based on the functionality analysis of the robot to achieve desired indoor applications, the hardware of the blimp robot is conceived and created. Finally, real tests are made on the blimp robot platform for the validation of the designed motion control laws, and satisfying results are obtained.

L'éco-routage est une méthode de navigation du véhicule qui sélectionne les trajets vers une destination minimisant la consommation de carburant, la consommation d'énergie ou les émissions de polluants. C'est l'une des techniques qui tentent de réduire les coûts d'exploitation et l'empreinte environnementale du véhicule. Ce travail passe en revue les méthodes actuelles d'éco-routage et propose une nouvelle méthode pour pallier leurs insuffisances. La plupart des méthodes actuelles attribuent à chaque route du réseau routier un coût constant qui représente la consommation du véhicule ou la quantité de polluants émis. Un algorithme de routage optimal est ensuite utilisé pour trouver le chemin qui minimise la somme de ces coûts. Différentes extensions sont considérées dans la littérature. L'éco-routage contraint permet d'imposer des limites sur le temps de trajet, la consommation d'énergie et les émissions de polluants. L'éco-routage dépendant du temps permet le routage sur un graphique avec des coûts qui sont fonction du temps. L'éco-routage adaptatif permet de mettre à jour la solution d'éco-routage au cas où elle deviendrait invalide en raison d'un développement inattendu sur la route. Il existe des méthodes d'éco-routage optimales publiées qui résolvent l'éco-routage dépendant du temps ou l'éco-routage contraint ou l'éco-routage adaptatif. Chacun vient avec des frais généraux de calcul considérablement plus élevés par rapport à l'éco-routage standard et, à la connaissance de l'auteur, aucune méthode publiée ne prend en charge la combinaison des trois: éco-routage adaptatif dépendant du temps contraint. On soutient dans ce travail que les coûts d'acheminement sont incertains en raison de leur dépendance au trafic immédiat autour du véhicule, du comportement du conducteur et d'autres perturbations. Il est en outre soutenu que puisque ces coûts sont incertains, il y a peu d'avantages à utiliser un routage optimal car l'optimalité de la solution ne tient que tant que les coûts de routage sont corrects. Au lieu de cela, une méthode d'approximation est proposée dans ce travail. La charge de calcul est plus faible car la solution n'est pas requise pour être optimale. Cela permet l'éco-routage adaptatif dépendant du temps contraint. / Eco-routing is a vehicle navigation method that selects those paths to a destination that minimize fuel consumption, energy consumption or pollutant emissions. It is one of the techniques that attempt to lower vehicle's operational cost and environmental footprint. This work reviews the current eco-routing methods and proposes a new method designed to overcome their shortcomings. Most current methods assign every road in the road network some constant cost that represents either vehicle's consumption there or the amount of emitted pollutants. An optimal routing algorithm is then used to find the path that minimizes the sum of these costs. Various extensions are considered in the literature. Constrained eco-routing allows imposing limits on travel time, energy consumption, and pollutant emissions. Time-dependent eco-routing allows routing on a graph with costs that are functions of time. Adaptive eco-routing allows updating the eco-routing solution in case it becomes invalid due to some unexpected development on the road. There exist published optimal eco-routing methods that solve either the time-dependent eco-routing, or constrained eco-routing, or adaptive eco-routing. Each comes with considerably higher computational overhead with respect to the standard eco-routing and, to author's best knowledge, no published method supports the combination of all three: constrained time-dependent adaptive eco-routing. It is argued in this work that the routing costs are uncertain because of their dependence on immediate traffic around the vehicle, on driver's behavior, and other perturbations. It is further argued that since these costs are uncertain, there is little benefit in using optimal routing because the optimality of the solution holds only as long as the routing costs are correct. Instead, an approximation method is proposed in this work. The computational overhead is lower since the solution is not required to be optimal. This enables the constrained time-dependent adaptive eco-routing.