La connaissance du profil et des attributs de la route est un élément critique dans le développement des assistances à la conduite. Ceci est notamment le cas pour les applications d’alerte et d’aide au maintien de voie. Les résultats des travaux de perception, vidéo notamment, permettent uniquement une localisation relative du véhicule par rapport à la route. Ce type de localisation ne permet pas l’accès au positionnement absolu de la route. A ce titre, il est impossible d’avoir accès au devers de la route via une seule caméra vidéo montée en vision frontale. Pour surmonter cette difficulté, nous proposons dans cette thèse une approche de numérisation et de reconstruction 3D de la géométrie de la route (pente, devers et courbure) dans un repère absolu supposé galiléen. L’idée générale de la numérisation 3D de la route, consiste à localiser le véhicule en 3D, faire le recalage pour obtenir celui du centre de la voie et d’associer à chaque positionnement les valeurs numériques des différents attributs de la route. L’approche développée consiste en la fusion d’informations provenant d’une part de capteurs proprioceptifs et extéroceptifs et d’autre part d’observateurs. On y distingue trois phases principales : La première a pour objet l’estimation des attributs de la route à l’aide d’observateurs. La deuxième est dédiée au positionnement relatif de la route par rapport au véhicule à partir de capteurs de vision embarqués sur le véhicule. La dernière phase aboutit à la reconstruction 3D de la route par fusion des informations provenant des deux premières phases. Techniquement les états des véhicules et les attributs de la route sont reconstruit à l’aide de filtres de Kalman étendus et d’observateurs à entrées inconnues. Par la suite, la géométrie 3D de la route, dans le repère absolu, est obtenue en calculant la matrice de passage du repère relatif, lié aux capteurs embarqués, au repère absolu. On utilise pour cela un schéma de fusion avec les données issues du capteur vidéo et les données GPS en utilisant les techniques IMM (Interacting Multiple Models). / The knowledge of the profile and the road attributes is a critical item in the development of driving assistances. This is specially the case for alert applications and lateral control. The results of the perception studies, specially the video, only allow a relative localization of the vehicle on the road. This kind of localization does not allow the access to absolute positioning of the road. For this reason, it is impossible to have access to the road bank via only one video camera fixed in frontal view. To overcome this difficulty, we propose in this thesis an approach of digitalization and 3Dreconstruction of the geometry of the road (slope, road bank and curvature) in an absolute frame, supposed Galilean. The general idea of 3D-digitalization of the road consist in localizing the vehicle in 3D, doing the correction to obtain the one of the road center and to associate, to each positioning, the numerical values of the different attributes of the road. The developed approach consists in the fusion of information coming from proprioceptive and exteroceptive sensors on one hand and observers on the other. We find in it three principal cases: The first one has for object the estimation of the road attributes via observers. The second one is dedicated to the relative positioning of the road beside the vehicle via embedded video sensors in the vehicle. The last stage leads to the 3D-reconstruction of the road via fusion of information coming from the two first stages. Technically, the states of the vehicles and the road attributes are reconstructed by application of the extended Kalman filters and proportional integral observers with unknown inputs. Afterwards, the 3D-geometry of the road, in the absolute landmark, is obtained by calculating the transfer matrix from the relative frame, linked to embedded sensors, to the absolute frame. For that, we use a fusion scheme with the video sensors and GPS data by using the IMM techniques.

Cette thèse aborde le problème de l’estimation d’état de systèmes dynamiques à entrées inconnues (EI). La première partie de la thèse est consacrée aux observateurs ponctuels. Pour les systèmes linéaires à temps variant (LTV) ou à paramètres variants (LPV) avec EI et bruits gaussiens, un nouvel observateur à minimum de variance est proposé : il affiche des résultats équivalents aux observateurs existants en matière de performance, mais les surpasse par la simplicité de son implémentation et par l’existence d’un résultat de stabilité qui lui est associé. Pour les systèmes linéaires à commutations avec EI, bruits gaussiens et séquence de commutation inconnue, un premier estimateur à minimum de variance est proposé. Pour les systèmes non linéaires, un nouveau filtre de Kalman étendu à EI est proposé: il généralise les résultats existants au cas de systèmes dont l’équation de mesure possède une partie linéaire et une partie non linéaire. Une application à la navigation aérospatiale est proposée. Pour les systèmes LTV et LPV à EI et pertubations à énergie finie, un observateur H∞ est proposé : il généralise et unifie certains résultats existants. La deuxième partie de la thèse est consacrée aux estimations garanties. Dans lecas où les perturbations affectant le système dynamique sont bornées, plusieurs observateurs par intervalle sont construits. Pour des systèmes LPV avec EI, le travail généralise l’existant en relaxant une condition de rang largement utilisée pour le découplage de l’EI. Pour les systèmes linéaires à commutations sans ou avec EI, un observateur par intervalle est proposé pour traiter le cas où la séquence de commutation est inconnue, problème qui n’a jamais été traité jusqu’ici. Finalement, une nouvelle approche d’encadrement de l’état par un observateur algébrique est proposée. / This thesis deals with the problem of state estimation for dynamical systems affected by Unknown Inputs (UI).The first part focuses on point-wise observers. For Linear Time Varying (LTV) or Linear Parameter Varying (LPV) systems with UI and Gaussian noises, a new minimum variance observer is proposed. It equals the existing ones in terms of performance, but overpasses them by its simplicity of implementing and by the existence of an associated stability result. For linear switching systems with Gaussian noises, UI and unknown switching sequence, a first minimum variance estimator is provided. For non linear systems, a new UI Extended Kalman Filter is provided: it generalizes existing results to the case the measurement equation possesses both linear and nonlinear parts. An application for aerospace navigation is proposed. For LTV or LPV systems with UI and finite energy perturbations, an H∞ observer is given : it generalizes and unifies some existing results. The second part focuses on guaranteed set observers. If the perturbations affecting the dynamical system are bounded,several interval observers are provided. For LPV systems with UI, it generalizes some existing results by relaxing a rank condition widely used for UI decoupling. For linear switching systems without or with UI, it provides an interval observer in the case the switching sequence is unknown, which has not been done before. Finally, a new algebraic observer for interval estimation is proposed.

Cette thèse s’intéresse à la détection et la localisation de défaillances pour des Systèmes Dynamiques Hybrides (SDH), en utilisant des indicateurs de défauts, appelés résidus. Une méthodologie par observateur hybride utilisant deux modules d'observation est proposée : un module dédié à l’identification du mode actif, permettant la détection des défauts discrets (défauts entraînant un changement de mode de fonctionnement) et l’autre module réalisant l’estimation d’état continu, permettant la détection et la localisation des défaillances des capteurs et actionneurs. Dans le cas réel, les systèmes se trouvent dans un environnement bruité. Une méthode d’évaluation basée sur la norme des résidus est proposée afin de détecter le mode actif en présence de ces perturbations. Une méthode de placement de pôle classique ainsi qu’une technique utilisant des fonctions de Lyapunov multiples sont étudiées. Des observateurs à entrée inconnue (UIO : Unknown Input Observers) sont conçus pour générer des résidus sensibles aux défauts et robustes aux perturbations afin de répondre au Problème Fondamental de Génération des Résidus (PFGR). Une analyse de la robustesse/sensibilité sous une formulation LMI est présentée. Afin de garantir la détection des changements de modes et donc des défauts de type « discrets », une condition nécessaire de discernabilité entre modes est proposée. Une méthodologie de surveillance utilisant des graphes de comportements normaux et défaillants est enfin proposée afin de minimiser le nombre de résidus calculés à chaque instant. Les résultats théoriques et méthodologiques de cette thèse sont illustrés sur des exemples académiques en simulation. / This thesis focuses on Fault Detection and Isolation (FDI) of Hybrid Dynamical Systems (HDS) using fault indicator signals, known as residuals. A method based on hybrid observers is proposed. It uses two observation modules: a module whose aim is to identify the active mode, allowing the detection of discrete faults (faults making the system switch to a new – abnormal - operation mode) and the other module performing the continuous state estimation, allowing the sensors and actuators FDI. In the real case, the system operates in a noisy environment. An evaluation method based on the norm of the residuals (estimation errors) is proposed to detect the active mode in the presence of these disturbances. The observer design is done through a classical pole placement method and a technique using multiple Lyapunov functions to ensure the exponential convergence of the estimation of SDH in the no fault situation. Unknown Input Observers (UIO) are also designed to generate residuals which are sensitive to faults and robust to disturbances, as requested in the Fundamental Problem of Residual Generation (FPRG). The robustness / sensitivity of the residuals is studied through an LMI formulation. To ensure the detection of mode switching and therefore detect the “discrete-type” faults, a necessary condition of mode discernability (distinguishability between modes) is proposed. A FDI methodology using normal and faulty behavioral graphs is finally described whose objective is to minimize the number of residuals to be on-line calculated at each time-instant. The theoretical and methodological results of this thesis are illustrated on academic simulation examples.

Les Systèmes Hybrides sont des systèmes dynamiques dont le comportement résulte de l’interaction entre une dynamique continue et une dynamique discrète. Cette thèse concerne la synthèse de contrôleurs tolérants aux pannes pour ce type de système. Dans une première partie, des méthodes de commande tolérante aux défauts sont proposées afin de maintenir les performances continues. Différents systèmes hybrides sont considérés en fonction du type de commutation. Deux idées sont développées: la première est de synthétiser la loi de commande tolérante afin de stabiliser chaque mode défaillant puis d’appliquer les résultats sur la stabilité des SH. La deuxième idée est de rechercher directement la stabilité du SH sans reconfigurer le contrôleur dans chaque mode défaillant instable. L’objectif de la commande tolérante peut être atteint si les effets négatifs des modes instables sont compensés par ceux des modes stables. Dans une deuxième partie, différentes techniques sont proposées afin de maintenir les spécifications discrètes. L’idée maîtresse est de reconfigurer la partie discrète en tenant compte de l’atteignabilité des dynamiques continues. Enfin, plusieurs solutions de commande supervisée tolérante aux défauts sont proposées. Les schémas reposent sur un schéma simple de commutation de contrôleur. La stabilité du système pendant la le diagnostic et le retard d’application de la commande peut être garanti. De nombreux exemples sont traités pour illustrer les performances des résultats théoriques : systèmes électroniques, moteurs à courant continu, unité centrale de traitement, systèmes manufacturiers, systèmes de transport intelligent et véhicule électrique automatisé. / Hybrid systems (HS) are dynamical systems that involve the interaction of continuous and discrete dynamics. This thesis is concerned with the design of fault tolerant controllers (FTC) for that kind of systems. Firstly, for HS with various switching a set of FTC methods based on continuous system theories are proposed to maintain the systems' continuous performance. Two natural ideas are considered: One way is first to design FTC law to stabilize each faulty mode, and then apply the stability results of HS. Another way is to research directly the stability of HS without reconfiguring the controller in each unstable faulty mode. Secondly, for HS where discrete specifications are imposed, a set of schemes are derived from discrete event system (DES) point of view to keep these discrete specifications. The key idea is to reconfigure the discrete part by taking into account the reachability of the continuous dynamics, such that the specification is maintained. Finally, based on HS approaches, several supervisory FTC schemes are developed. The proposed FTC schemes do not need a series of models or filters to isolate the fault, but only rely on a simple controller switching scheme. The stability of the system during the fault diagnosis and FTC delay can be guaranteed.The materials in the monograph have explicit and broad practical backgrounds. Many examples are taken to illustrate the applicability and performances of the obtained theoretical results, e.g. Circuit systems; DC motors; CPU process; Manufacturing system; Intelligent transportation systems and electric automated vehicles, etc.

CETTE THESE EST CONSACREE A L'ETUDE DE LA TRAJECTOGRAPHIE DU POINT DE VUE DE LA THEORIE DES OBSERVATEURS. ON PRESENTE D'ABORD LE PROBLEME DE TRAJECTOGRAPHIE ET LES MODELES DES SYSTEMES UTILISES POUR LA POURSUITE ACTIVE ET PASSIVE. ON ETUDIE ENSUITE L'OBSERVABILITE DE CES SYSTEMES APRES AVOIR RAPPELE LES CRITERES D'OBSERVABILITE POUR LES SYSTEMES LINEAIRES ET NON LINEAIRES. ON PRESENTE EGALEMENT LES PRINCIPAUX RESULTATS DE LA THEORIE DE L'OBSERVATEUR ET DES METHODES DE CONSTRUCTION D'OBSERVATEURS DANS LES CAS LINEAIRE STATIONNAIRE, INSTATIONNAIRE ET NON LINEAIRE. ON SE CONCENTRE ENSUITE SUR LE PROBLEME DE CONSTRUCTION D'OBSERVATEUR POUR LES SYSTEMES LINEAIRES INSTATIONNAIRES AVEC SINGULARITES POLYNOMIALE A L'INFINI. ON INTRODUIT LES NOTIONS ORIGINALES D'OBSERVABILITE ASYMPTOTIQUE ET D'OBSERVATEUR A GAIN ASYMPTOTIQUE. DE TELS OBSERVATEURS DONT LA CONSTRUCTION EST BASEE SUR LA THEORIE DES FORMES NORMALES DE POINCARE-DULAC SONT PARTICULIEREMENT FACILES A METTRE EN OEUVRE, PUISQUE LE GAIN EST CONSTANT DANS L'ECHELLE DE TEMPS LA PLUS RAPIDE. ON DONNE DES CONDITIONS SUFFISANTES DE CONVERGENCE D'OBSERVATEUR CONSTRUIT A PARTIR DE LA FORME CANONIQUE OBSERVATEUR D'UN SYSTEME A COEFFICIENTS DANS UN CORPS DE HARDY. CES RESULTATS SONT APPLIQUES A LA POURSUITE EN LIGNE DROITE. COMME LA TRAJECTOGRAPHIE EST UN PROBLEME INTRINSEQUEMENT NON LINEAIRE, DIVERSES CONSTRUCTIONS D'OBSERVATEURS NON LINEAIRES SONT ETUDIEES. APRES AVOIR RAPPELE DES RESULTATS NEGATIFS: NON-EXISTENCE D'OBSERVATEUR PAR LES METHODES D'IMMERSION ET DE LINEARISATION DE L'EQUATION D'ERREUR PAR INJECTION DE SORTIE DANS LE CAS PASSIF, NOUS ANALYSONS LES CONDITIONS DE CONVERGENCE D'UN OBSERVATEUR PAR IMMERSION APPROCHEE. UNE AUTRE APPROCHE EST AUSSI PROPOSEE, BASEE SUR LA TRANSFORMATION SOUS FORME CANONIQUE OBSERVATEUR DU LINEARISE TANGENT DU SYSTEME. ON MONTRE DANS DES CAS DE TRAJECTOGRAPHIE LA CONVERGENCE LOCALE DE CET OBSERVATEUR. DES SIMULATIONS NUMERIQUES SONT PRESENTEES POUR CHAQUE METHODE.

Proefschrift--Rechtsgeleerdheid--Leiden, 1981. / Résumé en néerlandais. Bibliogr. pp. 456-484. Index.

Ce sujet de recherche revêt, d'une part, un caractère théorique puisqu'il aborde le problème d'estimation des systèmes singuliers linéaires et non linéaires à temps discret pour lesquels très peu de résultats sont disponibles et, d'autre part, un aspect pratique, car le modèle utilisé est d'une station d'épuration des eaux usées à boues activées. Dans la partie théorique, nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à l'estimation d'état des systèmes singuliers linéaires en utilisant l'approche d'estimation à horizon glissant. Deux estimateurs optimaux, au sens des moindres carrés et au sens de la variance minimale, ont été présentés. L'analyse de la convergence et de la stabilité de ces estimateurs est traités. Ensuite, nous avons présenté une approche pour l'observation de la classe des systèmes non linéaires lipschitziens à temps discret. En supposant que la partie linéaire de cette classe de systèmes est variante dans le temps, le problème de l'estimation d'état d'un système non linéaire est transformé en un problème d'estimation d'état d'un système LPV. La condition de stabilité de l'observateur proposé est exprimée en terme d'inégalités matricielles linéaires (LMI). Enfin, dans la partie pratique, les résultats obtenus sont validés par une application à un modèle d'une station d'épuration des eaux usées à boues activées. / This subject of research holds, on the one hand, a theoretical character since it tackles the state estimation problem for linear and nonlinear singular discrete time systems for which very few results are available and, on the other hand, a practical aspect because the used model is an activated sludge process for wastewater treatment. In the theoretical part, we were interested firstly in the state estimation problem of linear singular systems using the moving horizon approach. We have presented two optimal estimators with the least squares and the minimum variance formulations. The analysis of the convergence and the stability of the estimators are derived. Then, an observers synthesis method for nonlinear Lipschitz discrete-time systems is proposed. By supposing that the linear part of this class of systems is time-varying, the state estimation problem of nonlinear system is transformed into a state estimation problem for LPV system. The stability condition of the proposed observer is derived in the form of linear matrix inequalities (LMIs). Finally, in the practical part, the obtained results are validated by an application to an activated sludge process for wastewater treatment.

Le travail porte sur la synthèse et la cryptanalyse des schémas de chiffrement basés sur le chaos. Ces schémas utilisent, côté émetteur, des systèmes dynamiques non linéaires exhibant un comportement chaotique. La séquence complexe ainsi produite est utilisée pour masquer une information. Plusieurs modes de chiffrement sont étudiés : la modulation chaotique, la modulation paramétrique et le chiffrement par inclusion, principalement dans le cas des systèmes chaotiques à temps discret. Pour ces schémas, la reconstruction de l'information nécessite la synchronisation de l'émetteur et du récepteur. Un observateur joue le rôle du récepteur.<br /><br />Tout d'abord, le lien entre le chiffrement par le chaos et le chiffrement usuel est établi. <br /><br />Concernant la modulation chaotique, nous proposons, pour le déchiffrement, une méthode systématique de synthèse d'observateur polytopique, tenant compte de la spécificité du problème liée au chaos. Dans la modulation paramétrique, côté émetteur, l'information claire module les paramètres d'un système chaotique. Pour réaliser la synchronisation, un observateur adaptatif polytopique assurant la reconstruction simultanée état/paramètre est proposé.<br /><br />Enfin, la cryptanalyse du chiffrement par inclusion est effectuée. Nous considérons des systèmes présentant uniquement des non linéarités polynomiales qui englobent un grand nombre de systèmes chaotiques usuels. La sécurité de ce schéma repose sur les paramètres du système chaotique, supposés jouer le rôle de clé secrète. Un formalisme général, basé sur le concept de l'identifiabilité, est élaboré pour tester la reconstructibilité de ces paramètres. Les différentes définitions de l'identifiabilité sont récapitulées et des approches permettant de tester l'identifiabilité sont présentées. Ce formalisme est appliqué sur des schémas usuels de chiffrement par inclusion afin de tester leur sécurité.

Dans ce travail de thèse, nous développons des méthodes de synchronisation des systèmes chaotiques pour les applications de transmission d'informations. La première méthode de synchronisation que nous proposons est basée sur les observateurs adaptatifs à entrées inconnues pour une classe des systèmes chaotiques présentant des incertitudes paramétriques et des perturbations dans leurs dynamiques et du bruit dans les signaux de sortie (bruit dans le canal de communication). La méthode développée repose sur les techniques adaptatives pour la compensation des non-linéarités et des incertitudes paramétriques et pour la restauration des messages transmis. Elle se base également sur les méthodes de synthèse d'observateurs à entrées inconnues pour supprimer l'influence des perturbations et du bruit. Ensuite, nous développons une deuxième méthode de synchronisation utilisant un observateur adaptatif à ''modes glissants" pour une classe des systèmes chaotiques présentant des entrées inconnues et dont les signaux de sortie sont bruités. La synthèse de l'observateur s'appuie sur la théorie des modes glissants, les techniques de synthèse d'observateurs singuliers et les techniques adaptatives dans le but d'estimer conjointement l'état et les entrées inconnues malgré la présence du bruit dans les équations de sortie. Cette approche de synchronisation est ensuite employée dans un nouveau schéma de communication chaotique sécurisée dont l'objectif est d'augmenter le nombre et l'amplitude des messages transmis, améliorer le niveau de sécurité ainsi que la robustesse aux bruits présents dans le canal de communication. En outre, le scénario de présence des retards de transmission est étudié en élaborant une troisième approche de synchronisation à base d'observateurs adaptatifs pour une classe des systèmes chaotiques de Lur'e avec des non-linéarités à pente restreinte et des signaux de sortie retardés. En se basant sur la théorie de Lyapunov-Krasovskii et en utilisant une hypothèse d'excitation persistante, l'observateur adaptatif proposé garantit la synchronisation maitre-esclave et la restauration des informations transmises malgré l'existence des retards de transmission. Les résultats théoriques obtenus dans ce travail de thèse sont vérifiés à travers des applications de transmission d'informations utilisant différents modèles des systèmes chaotiques tout en étudiant les différents scénarios et cas de figure pouvant se présenter en pratique et en analysant les aspects de sécurité de ces systèmes.

L'objectif de ce travail a été de proposer une méthode de détection de défaut pour le déplacement longitudinal du chariot mobile du Radiotélescope de Nançay. L'importance de l'implémentation d'une procédure de détection des défauts a été mise en évidence grâce à la description des besoins du personnel en charge de la maintenance de cet instrument scientifique. Ce mémoire débute par un état de l'art sur différentes méthodes de diagnostic (détection et isolation des défauts), une analyse critique de ces méthodes est réalisée. Nous rappelons ensuite les notions d'observabilité avant de présenter l'observateur de Newton et l'observateur de Ciccarella. L'extension de ce dernier aux systèmes MIMO est réalisée par la suite. Une comparaison de ces différents observateurs termine le chapitre 2. Le chapitre 3 présente le Radiotélescope de Nançay et plus particulièrement la modélisation du déplacement longitudinal du chariot mobile. Une étude des propriétés du modèle est abordée par la suite. Le dernier chapitre traite de la validation partielle du modèle obtenu au chapitre précédent. Ensuite, l'utilisation des relations de redondances analytiques a permis de mettre en évidence la faisabilité du diagnostic sur l'application. L'utilisation de l'extension de l'observateur de Ciccarella pour le diagnostic permet de réaliser la détection de défaut capteur en utilisant un banc d'observateurs. Le suivi de paramètres du modèle permet de suivre l'évolution du système (vieillissement par exemple) et la détection de défaut actionneurs. Dans l'ensemble, les résultats obtenus permettent de conclure sur la bonne détection des défauts capteurs et actionneurs.