In this dissertation we introduce a new class of pursuit-evasion games; the herding problem. Unlike regular pursuit evasion games where the pursuer aims to hunt the evader the objective of the pursuer in this game is to drive the evader to a certain location on the x-y grid. The dissertation deals with this problem using two different methodologies. In the first, the problem is introduced in the continuous-time, continuous-space domain. The continuous time model of the problem is proposed, analyzed and we came up with an optimal control law for the pursuer is obtained so that the evader is driven to the desired destination position in the x-y grid following the local shortest path in the Euler Lagrange sense. Then, a non-holonomic realization of the two agents is proposed. In this and we show that the optimal control policy is in the form of a feedback control law that enables the pursuer to achieve the same objective using the shortest path. The second methodology deals with the discrete model representation of the problem. In this formulation, the system is represented by a finite di-graph. In this di-graph, each state of the system is represented by a node in the graph. Applying dynamic programming technique and shortest path algorithms over the finite graph representing the system, we come up with the optimal control policy that the pursuer should follow to achieve the desired goal. To study the robustness, we formulate the problem in a stochastic setting also. We analyze the stochastic model and derive an optimal control law in this setting. Finally, the case with active evader is considered, the optimal control law for this case is obtained through the application of dynamic programming technique. / Ph. D.

Cette thèse traite de la modélisation dynamique des systèmes non-holonomes intermittents et de son application à la bicyclette 3D de Whipple. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur un ensemble d'outils en mécanique géométrique (réduction Lagrangienne et projection dans le noyau des contraintes cinématiques essentiellement). Dans un premier temps, nous avons traité le cas de la bicyclette persistante. En définissant l'espace des configurations du vélo comme un fibré principal de groupe structural SE(3), nous avons obtenu un modèle des points de contact et des contraintes exempt de toute non-linéarité associée à un paramétrage de type coordonnées généralisées. Cette formulation nous a permis d'obtenir le noyau des contraintes sous une forme symbolique sans singularité. Nous avons alors produit un modèle symbolique de la dynamique de la bicyclette persistante en utilisant la méthode de réduction par projection de sa dynamique libre dans le sous espace de ses vitesses admissibles. Cette approche étend le cadre général mis au point ces dernières années pour la locomotion bio-inspirée. Profitant de la structure de SE(3), un modèle de la bicyclette intermittente a été proposé dans le cadre d'une approche événementielle. L'adoption du modèle physique de l'impact plastique, nous a permis d'étendre la méthode de réduction par projection au cas intermittent. Nous avons alors comparé notre approche "réduite" à l'approche classiquement utilisée et avons montré qu'elles partageaient une interprétation géométrique commune. Ces outils ont finalement été appliqués à la simulation de la bicyclette intermittente afin d'illustrer la richesse de sa dynamique. / This thesis deals with the dynamic modelling of intermittent non-holonomic systems andits application to the Whipple 3D bicycle. To that end, we relied on a set of tools in geometric mechanics (mainly Lagrangian reduction and the projection in the kernel of the kinematic constraints). In the first instance, we have addressed the case of the bicycle subjected to persistent contacts. By defining the space of the bicycle configurations as a principal fibre bundle with SE(3) as structural group, we obtained a model of the contact points and of the constraints free of any non-linearities associated with a generalized coordinate type configuration. This formulation allowed us to obtain the kernel of the constraints in a symbolic form without singularity. We then produced a symbolic model of the dynamics ofthe bicycle subjected to persistent contacts using the projection reduction method of its free dynamics in the subspace of its permissible speeds. This approach extends the general framework developed in recent years for bio-inspired locomotion. Taking advantage of the structure of SE(3), a model of the intermittent bicycle was proposed as part of an event-driven approach. Moreover, the adoption ofthe physical model of plastic impact has allowed us to extend the projection reduction method to the intermittent case. We then compared our "reduced" approach to the conventional approach and showed that they shared a common geometric interpretation. These tools were finally applied to the simulation of the intermittent bicycle to illustrate its rich dynamics.

Au cours des dernières années, les problèmes multi-agents ont été étudiés de manière intensive par la communauté de la théorie du contrôle. L'un des sujets les plus populaires est le problème de consensus où un groupe d'agents parvient à un accord sur la valeur d'un certain paramètre ou d’une variable. Dans ce travail, nous nous concentrons sur le consensus des réseaux d'agents avec une dynamique non linéaire de poursuite de référence. Nous utilisons des interactions sporadiques modélisées par la détection relative, pour traiter le consensus décentralisé des références. La référence est donc utilisée pour alimenter la dynamique de poursuite de chaque agent. L'analyse de stabilité du système globale a nécessitée l'utilisation d'outils théoriques propre de la théorie des systèmes hybrides, en raison de la double nature de l'approche en deux étapes. L'analyse est effectuée en tenant compte de différents scénarios de topologie et interactions. Pour chaque cas, une condition suffisante de stabilité est fournie, en termes de temps minimum autorisé entre deux mises à jour de référence consécutives. Le cadre proposé est appliqué aux missions de rendez-vous et de réalisation de formation pour les robots mobiles non-holonomes. Le même problème est abordé dans le contexte d'une application réelle sur le terrain, à savoir un système de gestion de flotte pour un groupe de véhicules robotisés déployés dans un environnement industriel à des fins de surveillance et de collecte de données. Le développement d'une telle application a été motivé par le fait que cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet FFLOR, développé par le département de recherche technologique du CEA tech. / Over the last years, multi-agents problems have been extensively studied from the control theory community. One of the most popular multi-agents control topics is the consensus problem where a group of agents reaches an agreement over the value of a certain parameter or variable. In this work we focus our attention on the consensus problem of networks of non-linear reference tracking agents. In first place, we use sporadic interactions modeled by relative sensing to deal with the decentralized consensus of the references. The reference is therefore feeded the tracking dynamics of each agent. Differently from existent works, the stability analysis of the overall system required the usage of hybrid systems theory tools, due to dual nature of the two stages approach. The analysis is carried out considering different scenarios of network topology and interactions. For each case a stability sufficient condition in terms of the minimum allowed time between two consecutive reference updates is provided. The proposed framework is applied to the rendez-vous and formation realisation tasks for non-holonomic mobile robots, which appear among the richest research topics in recent years. The same problem is addressed in the context of a real field application, namely a fleet management system for a group of robotic vehicles deployable in an industrial environment for monitoring and data collection purpose. The development of such application was motivated by the fact that this thesis is part of the Future of Factory Lorraine (FFLOR) project, developed by the technological research department of the Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA tech).

La problématique étudiée dans cette thèse concerne le maintien de l’intégrité de robots mobiles en milieux naturels. L’objectif est de fournir des lois de commande permettant de garantir l’intégrité d’un véhicule lors de déplacements autonomes en milieux naturels à vitesse élevée (5 à 7 m.s -1 ) et plus particulièrement dans le cadre de l’agriculture de précision. L’intégrité s’entend ici au sens large. En effet, l’asservissement des déplacements d’un robot mobile peut générer des consignes nuisant à son intégrité physique, ou à la réalisation de sa tâche (renversement, tête-à-queue, stabilité des commandes, maintien de la précision, etc.). De plus, le déplacement en milieux naturels amène des problématiques liées notamment à des conditions d’adhérence variables et relativement faibles (d’autant plus que la vitesse du véhicule est élevée), ce qui se traduit par de forts glissements des roues sur le sol, ou encore à des géométries de terrains non traversables par le robot. Aussi, cette thèse vise à déterminer en temps réel l’espace de stabilité en terme de commandes admissibles permettant de modérer les actions du robot. Après une présentation des modélisations existantes, et des observateurs permettant l’exploitation de ces modélisations pour la mise en place de loi de commande prédictive en braquage pour le suivi de trajectoire, une nouvelle méthode d’estimation des glissements basé sur une observation cinématique est proposée. Celle-ci permet de répondre aux problématiques de vitesse variable (et notamment du passage de la vitesse par des valeurs nulles) du véhicule et d’observation lors d’un déplacement sans trajectoire de référence. Ce nouvel observateur est primordial pour la suite des développements de cette thèse, puisque la suite des travaux s’intéresse à la modulation de la vitesse du véhicule. Ainsi, dans la suite des travaux, deux lois de commande prédictives agissant sur la vitesse du véhicule ont été mises en place. La première apporte une solution à la problématique de la saturation des actionneurs en braquage, lorsque la vitesse ou les glissements rendent la trajectoire à suivre inadmissible vis-à-vis des capacités physiques du véhicule. La deuxième répond à la problématique de la garantie de la précision du suivi de trajectoire (maintien du véhicule dans un couloir de déplacement). Dans les deux cas la stratégie de commande est similaire : on prédit l’état futur du véhicule en fonction de ses conditions d’évolution actuelle et de conditions d’évolutions futures simulées (obtenues grâce à la simulation de l’évolution d’un modèle dynamique du véhicule) afin de déterminer la valeur de la vitesse optimale pour que les variables cibles (dans un cas la valeur du braquage et dans l’autre l’écart à la trajectoire) respectent les conditions imposées (non-dépassement d’une valeur cible). Les résultats présentés dans ce mémoire ont été réalisés soit en simulations, soit en conditions réelles sur des plateformes robotiques. Il en découle que les algorithmes proposés permettent dans un cas de réduire la vitesse du véhicule pour éviter la saturation du braquage et donc les phénomènes de sur et sous virage qui en découlerait et donc permet de conserver la commandabilité du véhicule. Et dans l’autre cas de garantir que l’écart à la trajectoire reste sous une valeur cible. / This thesis focused on the issue of the preseving of the integrity of mobile robots in off-road conditions. The objective is to provide control laws to guarantee the integrity of a vehicle during autonomous displacements in natural environments at high speed (5 to 7 m.s -1 ) and more particularly in The framework of precision farming. Integrity is here understood in the broad sense. Indeed, control of the movements of a mobile robot can generate orders that affect its physical integrity, or restrains the achievement of its task (rollover, spin, control stability, maintaining accuracy , etc.). Moreover, displacement in natural environments leads to problems linked in particular to relatively variable and relatively low adhesion conditions (especially since the speed of the vehicle is high), which results in strong sliding of wheels on the ground, or to ground geometries that can not be crossed by the robot. This thesis aims to determine in real time the stability space in terms of permissible controls allowing to moderate the actions of the robot. After a presentation of the existing modelings and observers that allow the use of these modelizations for the implementation of predictive control law for trajectory tracking, a new method of estimation of side-slip angles based on a kinematic observation is proposed. It permit to address the problem of variable speed of the vehicle (and in particular the case of zero values) and also to allow the observation during a displacement without reference trajectory. This new observer is essential for the further development of this thesis, since the rest of the work is concerned with the modulation of the speed of the vehicle. So, in the further work, two predictive control laws acting on the speed of the vehicle have been set up. The first one provides a solution to the problem of the saturation of steering actuators, when the speed or side-slip angles make the trajectory inadmissible to follow with respect to the physical capacities of the vehicle. The second one adress the problem of guaranteeing the accuracy of trajectory tracking (keeping the vehicle in a corridor of displacement). In both cases, the control strategy is similar: the future state of the vehicle is predicted according to the current conditions of evolution and the simulated one for the future evolution (obtained by simulating the evolution of dynamics models of the vehicle) in order to determine the value of the optimum speed so that the target variables (in one case the value of the steering and in the other the lateral deviation from the trajectory) comply with the imposed conditions (not exceeding a target value). The results presented in this thesis were realized either in simulations or in real conditions on robotic platforms. It follows that the proposed algorithms make it possible : in one case to reduce the speed of the vehicle in order to avoid the saturation of the steering actuator and therefore the resulting over and under steering phenomena and thus make it possible to preserve the vehicle’s controllability. And in the other case, to ensure that the lateral deviation from the trajectory remains below a target value.