Le sujet de cette thèse porte sur la planification de trajectoires pour un aéronef autonome. Les trajectoires d'aéronefs se déplaçant dans un environnement encombré par des obstacles sont étudiées. La dynamique des aéronefs étant complexe, non linéaire et non holonome, la planification de trajectoire de ce type de systèmes est un problème très difficile. L'algorithme Rapidly-exploring Random Tree, ou RRT, est utilisé comme planificateur de base. L'avantage de cet algorithme est qu'il permet de considérer des modèles d'aéronefs complets dans un environnement complexe. Deux algorithmes sont développés pour trouver une solution faisable et optimale. L'algorithme RRT avec un prétraitement de l'espace d'état est utilisé dans le cas d'une prise en compte du modèle complet du système. Cependant, cette méthode ne considère pas de critères optimaux. Pour y remédier, l'algorithme RRT* est utilisé pour un modèle simplifié du système avec l'aide de champs de potentiels artificiels utilisés comme heuristique pour améliorer le taux de convergence vers la solution. Les algorithmes sont simulés pour une application d'aéronefs hypersoniques, comme par exemple des missiles intercepteurs volants à haute altitude. Les aéronefs ont donc moins de manœuvrabilité parce que la densité de l'air diminue exponentiellement avec l'altitude. Les chemins les plus courts en 3D sont développés et utilisés comme une métrique. Des trajectoires réalisables et optimales sont alors obtenues efficacement. A partir de ces résultats, les contraintes temps réel à bord du véhicule seront plus faciles à vérifier. Dans les travaux futurs, la replanification sera considérée pour améliorer la performance de l'algorithme en cas d'environnement dynamique ou de changements dans la mission. / The focus of this PhD thesis is on the trajectory planning module as a part of autonomous aircraft system. Feasible trajectories for aircraft flying in environment cluttered by obstacles are studied. Since aircraft dynamics is complex, nonlinear and nonholonomic, trajectory planning for such systems is very difficult and challenging. Rapidly-exploring Random Tree or RRT path planner is used as a basis to find a feasible trajectory. The advantage of this algorithm is that it does not consider only the complete vehicle model but also the environment. Two algorithms are developed to find a feasible and optimal solution. The RRT algorithm combined with a preprocessing of the exploration space is used for a complete realistic model of the system. However, this approach does not consider any optimal criteria. In order to consider performance criteria, the RRT* algorithm is used based on a simplified model with the help of the artificial potential field as a heuristic to improve the convergence rate to the solution. The algorithms are simulated in an application of hypersonic aerial vehicles, for example, interceptor missiles flying in high altitude. This makes the aerodynamically controlled aircraft have less maneuverability since the air density decreases exponentially with altitude. 3D shortest paths are developed and used as a metric. A feasible and optimal trajectory is obtained efficiently. With this results, real-time constraints will be easier to verify if the algorithm is implemented on board the vehicle. In future work, replanning will be considered to improve the performance of the algorithm in case of dynamic environment or changes in the mission.

Les travaux de cette thèse proposent une nouvelle approche pour le guidage assisté par robots d'aiguilles flexibles pour des procédures percutanées. La méthode est basée sur l'utilisation d'une rotation de l'aiguille avec un rapport cyclique variable pour réaliser une insertion avec des arcs de rayons de courbure différents. Elle combine un retour visuel avec une stratégie de planification adaptative pour compenser les incertitudes du système et les perturbations. Par rapport aux approches présentées précédemment dans la littérature, la stratégie de planification en boucle fermée est adaptée à des scènes dynamiques qui présentent des changements de position des obstacles et de la cible. Cette approche a été implémentée sur un système robotique et les résultats obtenus in vitro confirment tout l'intérêt de cette technique. / This thesis proposes a robot-assisted approach for automatic steering of flexible beveled needles in percutaneous procedures. The method uses duty-cycled rotation of the needle to perform insertion with arcs of adjustable curvature, and combines closed-loop imaging feedback with an intraoperative motion replanning strategy to compensate for system uncertainties and disturbances. Differently from previous approaches, the closed-loop replanning strategy is suitable for dynamic scenes that present changes of obstacles and target positions. Indeed, we implemented the proposed system using a robotic manipulator, and the results obtained from in vitro tests confirmed the viability of our method.

Les performances des moteurs à combustion interne sont limitées par la quantité de gaz que leur système d'air peut apporter dans le cylindre. Les turbocompresseurs permettent d'augmenter cette quantité et c'est donc pour cette raison qu'ils sont maintenant couram- ment utilisés, parfois en combinaison avec d'autres composants. Ces systèmes présentent l'inconvénient d'entraîner une dynamique lente sur le moteur. Les stratégies de commande associées doivent donc exploiter au maximum la dynamique d'un système complexe. Cette thèse examine les problèmes de commande des systèmes d'air suralimentés à travers trois études de cas : un turbocompresseur à géométrie fixe sur un moteur essence, une turbine à géométrie variable sur un moteur Diesel avec deux circuits de recirculation des gaz brûlés, et un turbocompresseur à deux étages sur un moteur Diesel. La démarche proposée consiste à réduire un modèle physique du système et à synthétiser des stratégies de commande simples basées sur l'analyse de ce modèle. Grâce à la simplicité du modèle réduit et de la loi de commande, on peut prouver des propriétés du système en boucle fermée telles que la convergence, la stabilité et le respect des contraintes. Des résultats expérimentaux sont fournis dans chaque cas pour démontrer la pertinence de la démarche. Le premier problème considéré est à simple entrée simple sortie (SISO) avec des contraintes sur l'actionneur. Le système est non linéaire du premier ordre. La stratégie de commande développée consiste en une linéarisation par retour d'état avec planification de trajectoire sous contrainte. Elle se base sur l'inversion dynamique d'une représentation physique du système. Des problèmes pratiques tels que les contraintes sur l'actionneur et l'anti emballement de l'intégrateur sont pris en compte à la fois dans les parties de prépositionnement et de bouclage du contrôleur. La démarche et les développements sont ensuite étendus à des applications plus complexes. Le second système d'air considéré contient plusieurs sous systèmes avec de nombreuses interactions : turbocompresseur et circuits de recirculation des gaz brûlés. Un niveau de modélisation similaire à celui du premier cas est utilisé pour l'analyse du système. On montre que les dynamiques des circuits de recirculation des gaz brûlés sont plus rapides que celles du turbocompresseur et peuvent donc être négligées. Cependant, les interactions statiques entre les deux systèmes imposent des contraintes sur la commande du turbocom- presseur. La structure de commande développée pour le premier exemple est adaptée à ce nouveau problème de commande. La dernière application est la plus complexe. Le problème de commande peut être réduit à un problème à simple entrée et simple sortie (SISO), mais le système est du second ordre et des contraintes doivent être respectées sur l'un des états. Un modèle physique mais réduit du second ordre permet d'étudier les trajectoires du système en boucle fermée dans le plan des phases. Des stratégies de commande sont ainsi synthétisées pour forcer le système sur les trajectoires désirées tout en satisfaisant les contraintes. La thèse montre donc que différents problèmes de commande de sytèmes d'air peuvent être traités avec des solutions similaires et cohérentes. La démarche globale et le niveau de modélisation retenu sont génériques. Ils pourront ainsi être étendus à de futurs problèmes de commandes de systèmes d'air, mais également à des problèmes de diagnostic pour lesquels ils sont bien adaptés.

Je présente une approche cognitive pour la planification de trajectoire sous contraintes. Elle repose en premier lieu sur DKP: un planificateur de trajectoires par échantillonnage. DKP construit un arbre d'exploration dans les parties atteignables de l'environnement à la manière d'un A*. Les solutions sont des trajectoires splines quadratiques adaptées au contrôle de robots à deux roues indépendantes. La couche de propagation construit un espace des paramètres, contenant toutes les valeurs des paramètres laissés libres dans les solutions. Il est représenté sous la forme d'une surface contenant toutes les solutions locales qui respectent les contraintes du problème: vitesse, accélération, évitement d'obstacle... Ensuite, une recherche de solutions est effectuée sur l'espace des paramètres selon un critère d'optimisation. DKP a la propriété d'être entièrement déterministe: les résultats sont reproductibles et son comportement est complètement contrôlable. Ce contrôle me sert à définir des comportements de pilotage. Ils sont exprimés sous la forme d'un arbre de comportements: chaque comportement agit sur la manière dont l'arbre d'exploration produit par DKP progresse dans l'environnement. De plus, les comportements sont appliqués en fonction de la partie explorée. Ainsi, seuls les comportements faisables sont développés. TÆMS permet de décrire ces comportements de pilotage puis d'évaluer les solutions ainsi construites. Pour résumer, mon approche cognitive repose sur l'évolution conjointe d'un arbre de comportements de pilotage et d'un arbre d'exploration: elle fait ainsi le lien entre planification classique et planification de trajectoire sous contraintes.

Je présente une approche cognitive pour la planification de trajectoire sous contraintes. Elle repose en premier lieu sur DKP : un planificateur de trajectoires par échantillonnage. DKP construit un arbre d'exploration dans les parties atteignables de l'environnement à la manière d'un A∗ . Les solutions sont des trajectoires splines quadratiques adaptées au contrôle de robots à deux roues indépendantes. La couche de propagation construit un espace des paramètres, contenant toutes les valeurs des paramètres laissés libres dans les solutions. Il est représenté sous la forme d'une surface contenant toutes les solutions locales qui respectent les contraintes du problème : vitesse, accélération, évitement d'obstacle. . . Ensuite, une recherche de solutions est effectuée sur l'espace des paramètres selon un critère d'optimisation. DKP a la propriété d'être entièrement déterministe : les résultats sont reproductibles et son comportement est complètement contrôlable. Ce contrôle me sert à définir des comportements de pilotage. Ils sont exprimés sous la forme d'un arbre de comportements : chaque comportement agit sur la manière dont l'arbre d'exploration produit par DKP progresse dans l'environnement. De plus, les comportements sont appliqués en fonction de la partie explorée. Ainsi, seuls les comportements faisables sont développés. TÆMS permet de décrire ces comportements de pilotage puis d'évaluer les solutions ainsi construites. Pour résumer, mon approche cognitive repose sur l'évolution conjointe d'un arbre de comportements de pilotage et d'un arbre d'exploration : elle fait ainsi le lien entre planification classique et planification de trajectoire sous contraintes.

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande et l'équilibre des robots humanoïdes disposant d'une base mobile à roues omnidirectionnelles. Les méthodes développées visent à atteindre de hautes performances dynamiques pour ce type de robot, tout en assurant stabilité et équilibre. Les robots humanoïdes ont en général un centre de masse relativement haut en comparaison avec leur surface de contact avec le sol. Ainsi, la moindre accélération des corps du robot induit une large variation de la répartition des forces de contact avec le sol. Si celles-ci ne sont pas correctement contrôlées, alors le robot peut tomber. De plus, le robot disposant d'une base mobile à roues, une perturbation peut l'amener aisément à basculer sur deux roues. Enfin, un intérêt particulier a été apporté à la réalisation d'une commande temps-réel implémentée sur le système embarqué du robot. Cela implique principalement des contraintes concernant le temps de calcul de la loi de commande. Afin de répondre à ces problèmes, deux modèles linéaires du robot ont été réalisés. Le premier permet de modéliser la dynamique du robot lorsque celui-ci possède toutes ses roues en contact avec le sol. Le second permet de modéliser la dynamique du robot lorsque celui-ci bascule sur deux de ses roues. Ces modèles ont été réalisés en prenant en compte la répartition massique du robot. Ainsi, il a été judicieux de le modéliser comme un système à deux masses ponctuelles, pouvant se déplacer sur un plan parallèle au sol. La première correspond au centre de masse de la base mobile, la seconde à celui du reste du robot. Ces modèles sont ensuite utilisés au sein de deux commandes prédictives, permettant de prendre en compte à chaque instant les contraintes dynamiques ainsi que le comportement du robot dans le futur. La première commande permet de contrôler les déplacements du robot lorsque celui-ci possède toutes ses roues en contact avec le sol, lui assurant de ne pas basculer. La seconde permet au robot de se rattraper d'une situation où une perturbation l'amène à basculer, afin de ramener toutes ses roues en contact avec le sol. Aussi, un superviseur disposant d'une machine à état à été réalisé afin de définir quelle loi de commande doit être exécutée à chaque instant. Ce superviseur utilise les capteurs disponibles sur le robot afin d'observer son état de basculement. Enfin, afin de valider expérimentalement le résultat des développements de cette thèse, une série d'expériences a été présentée, mettant en évidence les différents aspects de la loi de commande. Notamment, des essais ont été réalisés concernant le suivi de trajectoires non physiquement réalisables, le rejet de perturbations appliqués à la base mobile, la stabilisation du robot lors de son basculement, ainsi que la compensation de variations de l'inclinaison du sol. / The problem of this thesis concerns the control of the movements and the equilibrium of humanoid robots that have a mobile base with omnidirectionnal wheels. The developed methods aim to reach high dynamical performances for this type of robot, while ensuring it stability and equilibrium. Humanoid robots have generally a center of mass relatively high compared to its contact surface with the ground. Therefore, the slightest acceleration of the robot bodies induces a large variation of the distribution of the contact forces with the ground. If they are not properly controlled, the robot can fall. Moreover, the robot having a mobile base with wheels, a disturbance can easily bring it to tilt on two wheels. Finally, a specific interest have been provided about the realisation of a real time controler implemented on the embedded system of the robot. This implies some constraints about the computationnal time of the control law. In order to answer these problems, two linear models of the robot have been developed. The first allows to modelize the dynamics of the robot when it has all of its wheels in contact with the ground. The second allows to modelize the dynamics of the robot when it tilts on two of its wheels. These models have been developed by taking into account the mass distribution of the robot. These models have been subsequently used in two predictive control laws, allowing to take into account at every instant the dynamical constraints as weel as the future behavior of the robot. The first allows to control the movements of the robot when it has all of its wheels in contact with the ground, preventing it for tilting. The second allows the robot to recover itself in a situation when a disturbance bring it to tilt, in order to bring back all of its wheels in contact with the ground. Also, a supervisor that has a state machine has been made in order to define which control law has to be executed at each instant. This supervisor uses the available sensors on the robot in order to observe its tilt state. Finally, in order to validate experimentally the results of the developments of this thesis, a series of experiments has been presented, demonstrating some aspects of the control law. In particular, some tests have been made concerning the tracking of non physically feasible trajectories, the reject of disturbances applied on the mobile base, the stabilisation of the robot during its tilt, and the compensation of the variations of the ground inclination.

Cette thèse porte sur le développement de lois de commande pour la marche desrobots bipèdes. Le sous actionnement engendré par le basculement, volontaire ouinvolontaire, du pied en appui sur le sol représente une difficulté majeure. Nousabordons ce problème par l’étude de robots plans avec pieds ponctuels.La première partie de la thèse est une compilation des informations issuesde la littérature que nous avons jugées intéressantes. Nous traitons dans unpremier temps de la modélisation adoptée, puis effectuons une revue des différentesméthodes existantes, et présentons la mise en oeuvre expérimentale de l’une d’entre elle : la méthode HZD.Dans une deuxième partie, nous procédons à une étude de la dissipation relativede l’énergie cinétique du robot lorsque le pied impacte le sol. Nous utilisons les résultats issus de cette étude pour planifier des trajectoires de marche dissipant peu d’énergie. De telles trajectoires ont a priori le mérite de préserver la structure du robot et de générer moins de bruit. A contrario, des trajectoires dissipant la majorité de l’énergie du robot sont utilisées pour un arrêt rapide. Une étude numérique a montré que ces résultats sont robustes à des incertitudes de modèle.Enfin, dans une dernière partie, afin de compenser les difficultés liées au sousactionnement, nous proposons d’utiliser le degré de liberté supplémentaire offert par un changement de l’échelle de temps dans les équations de la dynamique (Time Scaling) pour la classe de robots considérée. En utilisant par ailleurs un changement de coordonnées et de feedback, nous dérivons de nouvelles formes normales exactes et approximatives. / This thesis addresses the general problem of the walking control of biped robots. The foot of the robot in contact with the ground may tip over and cause the robot to be undercatuated. This is a major difficulty in term of control. This problem is addressed by considering planar biped robots with point feet.In a first part, we present a standard way of modeling such systems, a litterature review of the existing methods, and then report experimental results of the walking control of a biped robot using the HZD method.In a second part, we perform an analytic and numeric study of the relativekinetic energy dissipation when the foot of the robot impacts the ground. Usingthis study, we design trajectories with low energy dissipation at impact, which a priori result in gaits preserving the hardware of the robot and causing less noise. On the contrary, trajectories dissipating almost all the kinetic energy are used to quickly stop the robot.Finally, in an attempt to alleviate the burden due to underactuation, we proposeto investigate the additional degree of freedom provided, in the control design, by a change of time scale in the dynamic equations (Time-Scaling) for the considered class of biped robots. Using feedback transformations, we derive new exact and approximative normal forms.

Cette thèse traite du problème fondamental que constitue la planification de trajectoires de robots manipulateurs. Une première partie précise le contexte robotique de notre travail et présente le système général de programmation automatique développe au Lifia. Nous analysons ensuite l'importance de la représentation des connaissances nécessaires aux raisonnements géométriques particuliers a la planification de déplacements. Les méthodes de modélisation et les concepts de représentation que nous avons mis en oeuvre sont ensuite présentes. Une deuxième partie traite de la planification de trajectoires pour une structure articulée. Une methode de planification globale par construction de l'espace des configurations est présentée, ainsi qu'une methode de replanification locale par application de champs de potentiels et, enfin, une methode hybride réalisant la synthèse de ces approches complémentaires, pour lesquelles sont décrits algorithmes, résultats d'expérimentation et futurs développements

Système de planification de toutes les opérations nécessaires à la réalisation d'un assemblage telles que la reconnaissance, la saisie et le transport de la pièce à monter. Une architecture basée sur l'utilisation d'une hiérarchie de filtres est utilisée comme structure de contrôle

Le problème aborde dans cette thèse concerne la planification de mouvements d'un robot mobile articulé destiné à évoluer sur un terrain accidenté. Dans un tel contexte, le véhicule est soumis a diverses contraintes dépendant de la dynamique et la cinématique de son système mécanique, la géometrie du terrain et des obstacles, et les propriétés physiques des zones de contact et des interactions échangées entre les roues et le sol. La contribution de cette thèse porte sur la prise en compte de ces différents aspects et contraintes dans la résolution du problème de planification de mouvements. La solution proposée consiste à intégrer et combiner divers types de représentations avec un algorithme à deux niveaux de raisonnement complémentaires. Le premier niveau opère de manière discrète dans un sous-espace de l'espace des configurations du robot et traite de la détermination de sous-buts potentiels à atteindre par celui-ci en considérant les contraintes cinématiques et de non-collision aux obstacles. Le second niveau de raisonnement est appliqué localement et a pour rôle la validation de l'accessibilité effective des différents sous-buts par la recherche de trajectoires exécutables en présence des contraintes dynamiques et d'interactions. Cette étape est effectuée en considérant la formulation du problème de planification dans l'espace des états du robot et l'introduction de représentations spécifiques basées sur le concept des "modèles physiques".