La navigation visuelle des robots mobiles s'appuie traditionnellement sur des imageurs de type « caméra », dotés de plusieurs centaines de milliers de pixels lus séquentiellement. Le traitement de tels flux d'images nécessite une puissance de calcul qu'il serait difficile d'embarquer à bord d'un micro-aéronef de quelques grammes ou dizaines de grammes. Il existe pourtant déjà quelques agents aériens dont les performances de navigation en milieu inconnu sont remarquables, et qui pourtant fonctionnent de toute autre façon. Les oiseaux et les insectes, en particulier, montrent une capacité inégalée à éviter les obstacles et à poursuivre leurs proies ou leurs congénères. Cette capacité étonnante découle de leur perception particulière de l'environnement. Si les insectes, aux faibles capacités cognitives, perçoivent leur environnement de manière si efficace, c'est grâce aux capteurs minimalistes qu'ils embarquent. Certains insectes comme la mouche améliorent encore leur perception de l'environnement en stabilisant leur système visuel avec à un découplage tête-corps associé à un réflexe inertiel, équivalent au réflexe vestibulo-oculaire des mammifères. Cette stabilisation de la « plate-forme visuelle » permet de simplifier les traitements visuels subséquents et de mettre en œuvre des stratégies efficaces de navigation. Toute la première partie (« capteurs visuels ») de ce travail prend appui délibérément sur un œil élémentaire composé de seulement deux photorécepteurs (deux pixels). Nous avons d'abord amélioré les performances d'un capteur de vitesse angulaire bio-inspiré et revu le principe du capteur OSCAR, tous deux construits précédemment au laboratoire. Puis, nous avons développé et construit un nouveau type de capteur visuel, appelé VODKA, qui localise de manière ultrafine la position angulaire d'une cible visuelle. Dans la seconde partie (« réflexes visuo-inertiels »), nous avons développé un robot aérien miniature, appelé OSCAR II. Equipé de nos capteurs visuels et d'un réflexe « vestibulo-oculaire », OSCAR II, qui ne pèse que 100 grammes, est capable non seulement de fixer du regard une cible visuelle stationnaire, mais aussi de la poursuivre en lacet si elle vient à se déplacer, et ce même lors de fortes perturbations aérodynamiques. Avec sa capacité additionnelle de faire des saccades oculaires, OSCAR II préfigure les micro-véhicules aériens de demain, qui se dirigeront là où portera leur regard.

Les insectes sont capables de prouesses remarquables lorsqu’il s’agit d’éviter des obstacles,voler en environnement perturbé ou poursuivre une cible. Cela laisse penser que leurs capacités de traitement, aussi minimalistes soient-elles, sont parfaitement optimisées pour le vol. A cela s’ajoute des mécanismes raffinés, comme la stabilisation de la vision par rapport au corps, permettant d’améliorer encore plus leurs capacités de vol.Ces travaux de thèse présentent l’élaboration d’un micro drone de type quadrirotor, qui ressemble fortement à un insecte sur le plan perceptif (vibration rétinienne) et reprend des points structurels clés, tels que le découplage mécanique entre le corps et le système visuel. La conception du quadrirotor (de type open-source), son pilotage automatique et son système occulo-moteur sont minutieusement détaillés.Des traitements adaptés permettent, malgré un très faible nombre de pixels (24 pixels seulement), de poursuivre finement du regard une cible en mouvement. A partir de là, nous avons élaboré des stratégies basées sur le pilotage par le regard, pour stabiliser le robot en vol stationnaire, à l’aplomb d’une cible et asservir sa position ; et ce, en se passant d’une partie des capteurs habituellement utilisés en aéronautique tels que les magnétomètres et les accéléromètres. Le quadrirotor décolle, se déplace et atterrit de façon autonome en utilisant seulement ses gyromètres, son système visuel original mimant l’oeil d’un insecte et une mesure de son altitude. Toutes les expérimentations ont été validées dans une arène de vol, équipée de caméras VICON.Enfin, nous décrivons une nouvelle toolbox qui permet d’exécuter en temps réel des modèles Matlab/Simulink sur des calculateurs Linux embarqués de façon complètement automatisée (http://www.gipsalab.fr/projet/RT-MaG/). Cette solution permet d’écrire les modèles, de les simuler, d’élaborer des lois de contrôle pour enfin, piloter en temps réel, le robot sous l’environnement Simulink. Cela réduit considérablement le "time-to-flight" et offre une grande flexibilité (possibilité de superviser l’ensemble des données de vol, de modifier en temps réel les paramètres des contrôleurs, etc.). / Insects, like hoverflies are able of outstanding performances to avoid obstacles, reject disturbances and hover or track a target with great accuracy. These means that fast sensory motor reflexes are at work, even if they are minimalist, they are perfectly optimized for the flapping flight at insect scale. Additional refined mechanisms, like gaze stabilization relative to the body, allow to increase their flight capacity.In this PhD thesis, we present the design of a quadrotor, which is highly similar to an insect in terms of perception (visual system) and implements a bio-inspired gaze control system through the mechanical decoupling between the body and the visual system. The design of the quadrotor (open-source), itspilot and its decoupled eye are thoroughly detailed. New visual processing algorithms make it possible to faithfully track a moving target, in spite of a very limited number of pixels (only 24 pixels). Using this efficient gaze stabilization, we developed new strategies to stabilize the robot above a target and finely control its position relative to the target. These new strategies do not need classical aeronautic sensors like accelerometers and magnetometers. As a result, the quadrotor is able to take off, move and land automatically using only its embedded rate-gyros, its insect-like eye, and an altitude measurement. All these experiments were validated in a flying arena equipped with a VICON system. Finally, we describe a new toolbox, called RT-MaG toolbox, which generate automatically a real-time standalone application for Linux systems from a Matlab/Simulink model (http://www.gipsalab.fr/projet/RT-MaG/). These make it possible to simulate, design control laws and monitor the robot’s flight in real-time using only Matlab/Simulink. As a result, the "time-to-flight" is considerably reduced and the final application is highly reconfigurable (real-time monitoring, parameter tuning, etc.).

L’instabilité posturale est fréquente chez les séniors et peut entrainer la chute. La chute chez les séniors est un problème majeur de santé publique. Les chiffres épidémiologiques sont éloquents : une personne sur trois âgées de plus de 70 ans fera une chute dans l’année. Les causes sont multifactorielles : ostéo-articulaire, visuelle, cognitive, vestibulaire…. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à l’évolution de la fonction des récepteurs vestibulaires périphériques avec l’âge et à la perception de rotation à partir des entrées canalaires horizontales (système vestibulaire central et projections vestibulaires corticales). Notre but est d’essayer de comprendre l’implication du vieillissement du système vestibulaire dans l’instabilité posturale des séniors. Au niveau périphérique, nous avons quantifié la fonction des canaux semi-circulaires horizontaux par le test calorique et le vidéo-head impulse test. La fonction des récepteurs otolithiques (utriculaire et sacculaire) a été évaluée par les potentiels évoqués myogéniques recueillis au niveau cervical (voies sacculo-spinales) et oculaire (voies utriculo-oculaires). Au niveau central, la perception de l’entrée vestibulaire canalaire horizontale a été appréciée après irrigation à l’eau chaude du conduit auditif externe en appliquant un score de perception (présence ou absence de sensation rotatoire). Finalement, l’équilibre a été quantifié grâce au test d’organisation sensorielle sur l’Equitest et grâce à un système que nous avons récemment mis au point en collaboration avec le Professeur Curthoys à Sydney, comprenant une Wii Balance Board, un tapis mousse et un masque de réalité virtuelle (Oculus Rift). Les résultats ont montré une diminution des réponses oculaires au test calorique après 70 ans mais une absence de baisse du gain du réflexe vestibulo-oculaire horizontal au vidéo-head impulse test. La fonction otolithique, sacculaire et utriculaire, est altérée avec l’âge quelle que soit la stimulation utilisée (aérienne ou osseuse). La perception de l’entrée vestibulaire canalaire horizontale induite par une stimulation calorique nous a permis de montrer pour la première fois que certains séniors ne percevaient pas la sensation de rotation malgré une réponse oculaire normale (vitesse maximale de la phase lente du nystagmus oculaire supérieure à 15°/s). Dans notre population, nous avons pu ainsi définir deux types de séniors : un groupe présentant une perception de vertige rotatoire et un groupe « négligeant » ne pouvant pas reconstruire une sensation rotatoire à partir des entrées vestibulaires canalaires horizontales. La comparaison de ces deux groupes de séniors appariés sur l’âge ne montre aucune différence de la fonction canalaire horizontale ni de la fonction otolithique sacculaire et utriculaire. Néanmoins, les séniors négligents présentent en majorité des performances anormales (chute ou score diminué) à l’Equitest notamment en conditions 5 et 6. De plus, leur score au DHI est plus élevé relevant ainsi le handicape ressenti par ces séniors à cause de leur instabilité. En conclusion, les troubles de l’équilibre chez certains seniors pourraient résulter en partie d’une dysfonction vestibulaire centrale. Des études ultérieures permettront de déterminer si l’augmentation du seuil de perception rotatoire est un bon facteur prédictif du risque de chute. / Postural instability is common in seniors and can lead to falls which seniors are a major problem for Public Health. Epidemiological studies clearly show the magnitude of this problem: one in three people aged than more 70 years will fall in a year. This is caused by multiple factors including: musculoskeletal, visual, cognition, vestibular… The present study concerns the effect of age on the vestibular peripheral receptors function and on the perception of rotation from horizontal canal inputs (central vestibular processing and vestibular cortical projection). The aim is to try to understand the vestibular mechanisms involved in postural instability and mobility with age. At the peripheral level, the horizontal canal function was assessed using caloric test and video-Head Impulse Test. Otolith function (saccular and utricular) was assessed using vestibular evoked myogenic potentials recorded at cervical level (sacculo-spinal pathways) and at ocular level (utriculo-ocular pathways). At the central level, perception of motion from vestibular horizontal canal inputs was studied after caloric stimulation with warm water using a subjective perceptual score (presence or absence of rotatory vertigo). Finally, postural equilibrium was assessed with the Sensory Organization Test on the Equitest machine and also with a new system developed in collaboration with Prof. Curthoys (Sydney) using a Wii Balance Board, a foam rubber pad and a virtual reality headset (Oculus Rift DK2). Results showed decreased ocular responses induced by caloric stimulation after 70 years of age but healthy horizontal gain of the vestibulo-ocular reflex assessed by video-head impulse testing. The otolithic (saccular and utricular) function is impaired with age for all the stimuli used (air or bone conducted). Perception of motion induced by caloric stimulation (vestibular horizontal canal inputs) allowed us to show for the first time that some seniors are unable to feel the induced rotatory vertigo even with normal ocular responses (peak of the slow phase eye velocity higher than 15°/s). We defined two types of seniors: one senior group having a normal feeling of vertigo and one senior ‘neglect’ group who did not feel any sensation of rotation from horizontal canal inputs. The comparison of these two age-matched groups showed no difference in horizontal canal function, or otolithic function. The majority of the ‘neglect’ seniors with an absence of perception exhibited falls or a decreased score in conditions 5 and 6 during the Equitest. Moreover, their DHI scores were higher, showing the handicap induced by postural instability in these seniors. In conclusion, postural instability and falls in seniors may result from central vestibular impairment (inadequate central processing). A prospective study is needed to determine whether the increase perceptual threshold of rotation could be a good predictor of fall risk in seniors.