L'hydrographie française au XIXè siècle est mal connue pourtant c'est sans doute la période pendant laquelle elle a connu son plus fort développement portée par l'élan de la conquête coloniale.La collecte des données géographiques, la rédaction des cartes ainsi que I'approvisionnement des flottes de guerre et de commerce sont de la responsabilité du Dépôt des cartes et plans de la marine et des ingénieurs hydrographes qui forment un corps spécifique. Sur les terrains les officiers de marine reçoivent la mission de réaliser des levés et de collecter la moindre donnée qui pourrait servir à faire progresser le savoir géographique. Ils sont les indispensables auxiliaires des ingénieurs trop peu nombreux pour suffire à la tâche. Passée l'époque des grands voyages scientifiques (1790-1840), qui a permis de rénover la connaissance géographique du Pacifique et de ses rives, le rythme faiblit. En effet, la France, à la différence de la Grande-Bretagne et en raison de la modicité relative des crédits alloués à I'hydrographie, n'organise que très peu de campagnes exclusivement hydrographiques.Cependant, l'hydrographie française peine à trouver sa place sur le marché mondialisé de la carte nautique, dominé par la production britannique largement exploitée et copiée par les cartographes privés.La seconde partie de ce travail a pour objectif d'analyser les usages des cartes premièrement à travers l'étude du marché et des attentes des marins eux-mêmes. Enfin, nous nous sommes intéressés aux expériences quotidiennes de la navigation pour saisir la place que prend la carte dans la pratique des marins. / French hydrography during the XIXth Century had remained largely unexplored although this period had been extremely fecund. The « Dépôt des cartes et plans » is responsible for collecting geographical data producing nautical charts and providing the fleet and merchant seamen with nautical publications.Surveys were conducted by engineers and also by navy officers. However, after the era of the scientific expeditions (1790-1840) the production dropped. Actually, the French Navy never managed to wage exclusive hydrographic campaigns such as the British Navy did at the same time.Moreover, French charts struggled to find their place in a market dominated by the British production.In the second part of this thesis we addressed the question of the uses of nautical charts, first through the analysis of the market and expectations of seamen. Secondly we tried to enlighten the usual practices of sailors.

Tradition spacecraft proximity operations require large and expensive on-board sensors and significant ground support. Relative angle measurements can be obtained from small, simple, and inexpensive on-board sensors, but have not traditionally been used for proximity operation because of difficulty generating rang information. In this thesis it is shown that useful relative range data can be generated provided that the spacecraft is experiencing a small continuous thrust such as would be provided by a low-thrust propulsion system.

Alors que la population mondiale vieillit et vit de plus en plus en zone urbaine, maintenir les capacités de mobilité piétonne des personnes âgées en ville est un enjeu majeur pour leur santé et leur autonomie. La marche est, en effet, un des modes principaux de déplacement des personnes âgées en ville. Cependant, les déclins perceptifs, cognitifs et moteurs liés à l'avancée en âge peuvent affecter considérablement cette activité quotidienne.La navigation piétonne, qui consiste à aller d'un point A à un point B, peut être particulièrement affectée par l’avancée en âge. Il s’agit d’un processus complexe, sollicitant de nombreuses fonctions perceptives et cognitives, afin de percevoir, analyser et intégrer un grand nombre d’informations pour se déplacer. Si les personnes âgées recourent le plus souvent aux cartes papier pour s’aider dans cette activité de navigation, ces supports sont peu adaptés, car ils mobilisent des informations allocentrées (en vue du dessus) difficiles à interpréter par les personnes âgées, et font fortement appel à l’attention visuelle, qui est nécessaire par ailleurs pour naviguer en toute sécurité.Des aides à la navigation technologiques (type GPS) pourraient permettre de lever certaines difficultés de mobilité avec l’âge, en fournissant des informations de guidage à travers plusieurs canaux sensoriels, et ce afin de limiter le partage attentionnel. Ces aides devraient également proposer une expérience utilisateur positive, afin de faciliter leur acceptation par une population âgée pas toujours à l’aise avec les technologies.Cette thèse en psychologie ergonomique s’intéresse à l’efficacité et à l’expérience utilisateur de plusieurs aides à la navigation technologiques mobilisant des instructions pas-à-pas égocentrées (en vue à la première personne) à travers les sens visuel, auditif et haptique pour la navigation piétonne des personnes âgées. Après avoir questionné les pratiques de mobilité piétonne et les différences existant entre personnes actives et retraitées (étude 1), nous avons comparé, lors d’une étude en environnement virtuel (étude 2), différentes instructions de guidage pas-à-pas faisant appel aux sens visuel (flèches incrustées sur simulateur), auditif (sons spatialisés par casque à conduction osseuse) et haptique (montre vibrante au poignet droit), ainsi que l’utilisation d’une carte papier. Nous avons pu mettre en valeur que des difficultés de navigation observées chez les participants âgés avec la carte pouvaient être compensées par le recours à un guidage par flèches visuelles ou sons spatialisés. Nous avons poursuivi ce travail par une étude en environnement naturel urbain (étude 3) au cours de laquelle des participants âgés ont été invités à parcourir des itinéraires avec leur aide habituelle (carte), un guidage visuel par flèches projetées sur des lunettes de réalité augmentée, un guidage auditif par sons spatialisés grâce à un casque à conduction osseuse, et un guidage vibro-visuel proposant flèches et vibrations par le biais d’une montre connectée. Les résultats obtenus par des observables et des entretiens indiquent que les lunettes de réalité augmentée paraissent cette fois-ci, en contexte naturel, et au contraire de l’étude 2 sur simulateur, moins adaptées que le casque à conduction osseuse et que la montre connectée, ces deux derniers dispositifs montrant des résultats très positifs. La perceptibilité des instructions, leur interprétation en contexte de navigation, et le confort des participants sont grandement dépendants du dispositif technique utilisé.Dans une dernière étude, nous avons investigué les facteurs susceptibles de favoriser l’acceptabilité d’aides à la navigation qui ne sont pas disponibles sur le marché mais pourraient exister demain (ex. lentilles de réalité augmentée, vêtements vibrants, etc.). Nous proposons, en conclusion, plusieurs recommandations utiles à la conception d’aides à la navigation adaptées aux besoins et aux attentes des piétons âgés. / As worldwide population is ageing and concentrating in cities, maintaining older people's pedestrian mobility in urban areas has become a key issue for their health and autonomy. Walking is, indeed, one of the most frequent transportation mode used by older people in cities. But age-related perceptual, cognitive and physical declines could negatively impact this daily activity.Pedestrian navigation, which consists in moving from a point A to a point B, could be particularly affected when advancing in age. It involves complex cognitive and perceptual processes to perceive and understand a multiplicity of information required to reach destination. Older people tend to use paper maps to help them finding their way while navigating. But maps are not suitable for older pedestrians because they provide allocentric information (viewed from the top) which is difficult to understand when advancing in age and requires a lot of visual attention which is also needed to navigate safely. Technological pedestrian navigation aids (such as GPS systems) may help older people to navigate by providing them guidance messages via various sensory modalities in order to limit attention sharing. Those aids should also be related to a positive user experience to facilitate their acceptation among older people who feel not necessarily comfortable with technologies. This thesis in ergonomic psychology focuses on how older people perceive and experience various technological pedestrian navigation aids, providing them with visual, auditory and haptic egocentric turn-by-turn guidance messages. We firstly investigated the reasons why people use pedestrian mobility in their daily activities and the differences existing between retired and non-retired people (study 1). We then compared some step-by-step guidance messages to a paper map in a virtual environment (study 2). We used visual messages (arrows inlayed on the screen of the simulator), auditory messages (spatialized sounds provided by a bone-conduction headset) and haptic messages (vibrating watch around the right wrist) and highlighted that the increased difficulties faced by older people to find their way with a map could be compensated using visual arrows or spatialized sound. We then continued this work in a real urban environment (study 3). People were asked to navigate some routes with their own navigation aid (usually a map), or arrows inlayed in their field of view thanks to augmented-reality glasses, or spatialized sounds provided by a bone-conduction headset, or arrows displayed on a smartwatch that vibrated to announce that a visual message was incoming. Augmented-reality glasses were less suitable for older pedestrians than bone-conduction headset and smartwatch in the natural environment, which was different from the results observed in virtual environment. Results from the interviews showed that the perceptibility of the messages, the way people interpreted them in the environment, and the comfort people felt was highly conditioned by the device used. We finally investigated which UX dimensions cloud foster or limit the acceptability of some sensory navigation aids that do not exist yet but could exist in a near future (augmented-reality lens, vibrating clothes etc.).As a conclusion, we provide the reader with recommendations for designing navigation aids that are adapted to older pedestrians’ needs and expectations.

La principale difficulté pour la navigation autonome d'un robot dans un environnement partiellement ou totalement inconnu vient naturellement du manque d'informations sur l'environnement : on ne peut assurer que le chemin calculé soit aussi court et aussi sûr que le chemin calculé avec une connaissance parfaite de l'environnement. Les informations sur l'environnement sont obtenues au fur et à mesure de la navigation avec un degré variable de certitude qui dépend de l'environnement lui-même, des capacités de perception et la localisation du véhicule, et c'est l'acquisition des informations pertinentes pour la tâche de navigation qui conditionne sa bonne réalisation. Les travaux proposés sont réalisés dans ce contexte : ils définissent une stratégie de navigation qui est basée sur la détermination des zones où l'information est nécessaire au robot pour atteindre le but. / The main difficulty of autonomous navigation of a mobile robot in a partially comes from the lack of information about the environment. One can not assure the calculated navigation path is as short and as safe as the path calculated if we had all the necessary information on the environment. Information is gathered along the moves of the mobile robot with a varying degree of certainty. This uncertainty come from the environment itself, the perception abilities and the localisation abilities of the robot. Only relevant information acquisitions can help a good execution of the navigation task.The proposed approach is realised in this context : it consists of a navigation strategy based on the determination of zones where information is necessary for the robot to rally its objective.

Afin de permettre une navigation autonome d'un robot dans un environnement, le robot doit être capable de percevoir son environnement. Dans la littérature, d'une manière générale, les robots perçoivent leur environnement en utilisant des capteurs de type sonars, cameras et lidar 2D. L'introduction de nouveaux capteurs, nommés lidar 3D, tels que le Velodyne HDL-64E S2, a permis aux robots d'acquérir plus rapidement des données 3D à partir de leur environnement. La première partie de cette thèse présente une technique pour la calibrage des capteurs lidar 3D. La technique est basée sur la comparaison des données lidar à un modèle de vérité de terrain afin d'estimer les valeurs optimales des paramètres de calibrage. La deuxième partie de la thèse présente une technique pour la localisation et la détection de fermeture de boucles pour les robots autonomes. La technique est basée sur l'extraction et l'indexation des signatures de petite-taille à partir de données lidar 3D. Les signatures sont basées sur les histogrammes de l'information de normales de surfaces locale extraite à partir des données lidar en exploitant la disposition des faisceaux laser dans le dispositif lidar / In order to autonomously navigate in an environment, a robot has to perceive its environment correctly. Rich perception information from the environment enables the robot to perform tasks like avoiding obstacles, building terrain maps, and localizing itself. Classically, outdoor robots have perceived their environment using vision or 2D lidar sensors. The introduction of novel 3D lidar sensors such as the Velodyne device has enabled the robots to rapidly acquire rich 3D data about their surroundings. These novel sensors call for the development of techniques that efficiently exploit their capabilities for autonomous navigation.The first part of this thesis presents a technique for the calibration of 3D lidar devices. The calibration technique is based on the comparison of acquired 3D lidar data to a ground truth model in order to estimate the optimal values of the calibration parameters. The second part of the thesis presents a technique for qualitative localization and loop closure detection for autonomous mobile robots, by extracting and indexing small-sized signatures from 3D lidar data. The signatures are based on histograms of local surface normal information that is efficiently extracted from the lidar data. Experimental results illustrate the developments throughout the manuscript

Cette thèse s'intéresse au problème de la navigation autonome au long cours de robots mobiles à roues dans des environnements dynamiques. Elle s'inscrit dans le cadre du projet FUI Air-Cobot. Ce projet, porté par Akka Technologies, a vu collaborer plusieurs entreprises (Akka, Airbus, 2MORROW, Sterela) ainsi que deux laboratoires de recherche, le LAAS et Mines Albi. L'objectif est de développer un robot collaboratif (ou cobot) capable de réaliser l'inspection d'un avion avant le décollage ou en hangar. Différents aspects ont donc été abordés : le contrôle non destructif, la stratégie de navigation, le développement du système robotisé et de son instrumentation, etc. Cette thèse répond au second problème évoqué, celui de la navigation. L'environnement considéré étant aéroportuaire, il est hautement structuré et répond à des normes de déplacement très strictes (zones interdites, etc.). Il peut être encombré d'obstacles statiques (attendus ou non) et dynamiques (véhicules divers, piétons, ...) qu'il conviendra d'éviter pour garantir la sécurité des biens et des personnes. Cette thèse présente deux contributions. La première porte sur la synthèse d'un asservissement visuel permettant au robot de se déplacer sur de longues distances (autour de l'avion ou en hangar) grâce à une carte topologique et au choix de cibles dédiées. De plus, cet asservissement visuel exploite les informations fournies par toutes les caméras embarquées. La seconde contribution porte sur la sécurité et l'évitement d'obstacles. Une loi de commande basée sur les spirales équiangulaires exploite seulement les données sensorielles fournies par les lasers embarqués. Elle est donc purement référencée capteur et permet de contourner tout obstacle, qu'il soit fixe ou mobile. Il s'agit donc d'une solution générale permettant de garantir la non collision. Enfin, des résultats expérimentaux, réalisés au LAAS et sur le site d'Airbus à Blagnac, montrent l'efficacité de la stratégie développée. / This thesis is directed towards the autonomous long range navigation of wheeled robots in dynamic environments. It takes place within the Air-Cobot project. This project aims at designing a collaborative robot (cobot) able to perform the preflight inspection of an aircraft. The considered environment is then highly structured (airport runway and hangars) and may be cluttered with both static and dynamic unknown obstacles (luggage or refueling trucks, pedestrians, etc.). Our navigation framework relies on previous works and is based on the switching between different control laws (go to goal controller, visual servoing, obstacle avoidance) depending on the context. Our contribution is twofold. First of all, we have designed a visual servoing controller able to make the robot move over a long distance thanks to a topological map and to the choice of suitable targets. In addition, multi-camera visual servoing control laws have been built to benefit from the image data provided by the different cameras which are embedded on the Air-Cobot system. The second contribution is related to obstacle avoidance. A control law based on equiangular spirals has been designed to guarantee non collision. This control law, based on equiangular spirals, is fully sensor-based, and allows to avoid static and dynamic obstacles alike. It then provides a general solution to deal efficiently with the collision problem. Experimental results, performed both in LAAS and in Airbus hangars and runways, show the efficiency of the developed techniques.

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The blackboard and whiteboard are common in schools globally. Many of them have interesting magnetic properties, which is not largely used. In this thesis, a study is conducted in which the possibility of navigating along a whiteboard, using its magnetic property, is examined. A robot was manufactured and tested to see the possibilities of operating a robot with multiple functions on the board. By utilizing an accelerometer and a distance sensor, the robot was capable of navigating the board without the risk of falling of. The completed robot has an integrated controller which allows adjustments to any desired angle and detection of the edge of the board. / Svarta tavlan och whiteboard är vanligt förekommande i skolor over hela världen. Många av dem har den intressanta egenskapen att vara magnetisk, vilket inte utnyttjas i någon större grad. I den här avhandlingen gjordes en studie i att navigera med en robot på en tavla genom att utnyttja dess magnetiska egenskap. En robot tillverkades och testades för att se möjligheterna av att ha en Robot som skulle kunna utföra många olika uppgifter på tavlan. Genom utnyttjandet av en accelerometer och en distanssensor kunde roboten navigera på tavlan utan att riskera att trilla av. Den färdiga roboten har ett implementerat styrsystem för att kunna justera sig in till olika vinklar och även detektera kanten av tavlan.

Prior to the wide deployment of robotic systems, they must be able to navigate autonomously. These systems cannot rely on good weather or daytime navigation and they must also be able to navigate in unknown environments. All of this must take place without human interaction. A majority of modern autonomous systems rely on GPS for position estimation. While GPS solutions are readily available, GPS is often lost and may even be jammed. To this end, a significant amount of research has focused on GPS-denied navigation. Many GPS-denied solutions rely on known environmental features for navigation. Others use vision sensors, which often perform poorly at high altitudes and are limited in poor weather. In contrast, radar systems accurately measure range at high and low altitudes. Additionally, these systems remain unaffected by inclimate weather. This dissertation develops the use of radar odometry for GPS-denied navigation. Using the range progression of unknown environmental features, the aircraft's motion is estimated. Results are presented for both simulated and real radar data. In Chapter 2 a greedy radar odometry algorithm is presented. It uses the Hough transform to identify the range progression of ground point-scatterers. A global nearest neighbor approach is implemented to perform data association. Assuming a piece-wise constant heading assumption, as the aircraft passes pairs of scatterers, the location of the scatterers are triangulated, and the motion of the aircraft is estimated. Real flight data is used to validate the approach. Simulated flight data explores the robustness of the approach when the heading assumption is violated. Chapter 3 explores a more robust radar odometry technique, where the relatively constant heading assumption is removed. This chapter uses the recursive-random sample consensus (R-RANSAC) Algorithm to identify, associate, and track the point scatterers. Using the measured ranges to the tracked scatterers, an extended Kalman filter (EKF) iteratively estimates the aircraft's position in addition to the relative locations of each reflector. Real flight data is used to validate the accuracy of this approach. Chapter 4 performs observability analysis of a range-only sensor. An observable, radar odometry approach is proposed. It improves the previous approaches by adding a more robust R-RANSAC above ground level (AGL) tracking algorithm to further improve the navigational accuracy. Real flight results are presented, comparing this approach to the techniques presented in previous chapters.