Dans ce travail, on étudie les problèmes de localisation et de classification des capteurs pour des propriétés génériques - propriétés valables pour presque toutes les valeurs des paramètres. Lorsqu'une propriété donnée du système n'est pas vérifiée avec l'ensemble des capteurs, on cherche à implanter de nouveaux capteurs pour rendre la propriété vraie. Lorsqu'une propriété est vérifiée avec l'ensemble des capteurs existants, on classe les capteurs en fonction de leur criticité relativement à la propriété. La thèse caractérise les capteurs essentiels, ceux qui doivent être sans défaut. La défaillance d'un de ces capteurs essentiels fait perdre la propriété. Les capteurs inutiles qui peuvent tomber en panne sans aucun impact sur la propriété sont également caractérisés. Cette approche a été appliquée à deux propriétés: l'observabilité et le rejet de perturbation par retour de mesure. Tous les résultats ont été obtenus par une approche graphique et sont simple à implanter numériquement.

La manipulation aérienne a été un domaine de recherche actif ces dernières années, principalement parce que les applications actives des véhicules aériens autonomes (UAV en anglais), augmente l'employabilité de ces véhicules pour diverses applications.Le développement récent de la manipulation aérienne a trouvé des applications potentielles dans les deux domaines, militaires et civils. Les applications militaires incluent le patrouilleur des frontières, la détection des mines, la reconnaissance, etc., tandis que les applications civiles sont en matière de gestion des catastrophes, d'inspection des ponts, de construction, de livraison de matériel, de recherche et de sauvetage, etc.La recherche sur la robotique aérienne implique principalement des hélicoptères et des architectures de décollage et d'atterrissage verticales (VTOL). Le principal avantage de ces plates-formes est leur maniabilité et la capacité d'effectuer des vols stationnaires, ce qui est essentiel pour les applications. Cette thèse porte sur les avions VTOL, où l'hélicoptère à quatre rotors ou quadrirotor est principalement étudié.En ce qui concerne le problème de la manipulation aérienne, la quantité d'applications augmente, mais en même temps, la complexité de la modélisation et du contrôle d'un tel système est également plus grande. L'un des plus grands défis réside dans leur charge utile limitée. Certaines approches ont essayé de résoudre le problème en utilisant plusieurs robots pour transporter des charges utiles avec des pinces ou des câbles, où leurs effecteurs et pinces doivent être légers eux-mêmes et capables de saisir des formes complexes. Un autre défi est que la dynamique du robot est considérablement modifiée par l'ajout de charges utiles. Cependant, pour le transport de la charge utile, il est nécessaire que les robots puissent estimer l'inertie de la charge utile et s'y adapter pour améliorer les performances de suivi.Selon les antécédents et les défis sur les véhicules VTOL portant des charges utiles ou des manipulateurs, la contribution du présent travail est centrée sur la modélisation et la conception d'une loi de commande non linéaire et une analyse de stabilité formelle pour la stabilisation asymptotique d'un véhicule VTOL portant un bras manipulateur. Pour cela, un modèle général d'un quadrirotor portant un bras manipulateur est proposé. Après cela, une loi de commande presque globalement asymptotique lisse pour la stabilisation de l'attitude qui prend en compte les effets de mouvement du bras est conçue. Une fois que le problème d'attitude est résolu, il est possible de concevoir un contrôleur non linéaire globalement asymptotique pour la dynamique de position basée sur l'utilisation de somme des fonctions saturés afin de prendre en compte les limitations des actionneurs. Enfin, certaines expériences pour valider les lois de commande proposées sont effectuées. / Aerial manipulation has been an active area of research in recent years, mainly because the active tasking of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) increases the employability of these vehicles for various applications.The recent development of the aerial manipulation has found potential applications in both, military and civilian domains. Military applications include border patrolling, mine detection, reconnaissance, etc., while civilian applications are in disaster management, bridge inspection, construction, material delivery, search and rescue, etc.The research on aerial robotics has mainly involved helicopters and Vertical Take-off and Landing (VTOL) architectures. The main advantage of these platforms is theirmaneuverability and the capacity to perform hovers, which is essential for the applications. This thesis deals with VTOL aircrafts, where the four rotor helicopter, quadcopter or quadrotor is mainly studied.Regarding the problem of aerial manipulation, the amount of applications are increased, but at the same time the complexity of modeling and control of such a system are equally bigger. One of the biggest challenges arise from their limited payload. Some approaches have tried to solve the problem using multiple robots to carry payloads with grippers or with cables, where their end effectors and grippers have to be lightweight themselves and capable of grasping complex shapes. Another challenge is that the dynamics of the robot are significantly altered by the addition of payloads. However, for payload transport, it is necessary that the robots are able to estimate the inertia of the payload and adapt to it to improve tracking performance.According to the background and challenges on VTOL vehicles carrying payloads or manipulators, the contribution of the present work is centered on the modelling and the design of a nonlinear control and a formal stability analysis for the asymptotical stabilization of a VTOL vehicle carrying a manipulator arm. For this a general model of a quadcopter carrying a manipulator arm is proposed. After that, a smooth almost globally asymptotically control law for attitude stabilization which takes into account the arm motion effects is designed. Once the attitude problem is solved, it is possible to design a a globally asymptotically nonlinear controller for the translational dynamics based in the usage of nested and sum of saturation functions in order to take into account the actuators limitations. Finally, some experiments in order to validate the proposed control laws are carried out.

Ce travail concerne la modélisation et la commande non-linéaire d'un hélicoptère drone à modèle réduit (VARIO Benzin-Trainer) en présence de rafales de vent. En ce qui concerne la modélisation, un modèle général et lagrangien à 7 DDL (degrés de liberté) extrait de [Avila Vilchi, 2001] pour l'hélicoptère en mode de vol libre en basse vitesse est utilisé. Ce système sous-actionné possède 4 entrées de commande. Nous avons développé un modèle lagrangien à 3 DDL de l'hélicoptère perturbé monté sur une plate-forme expérimentale. Le nouveau modèle perturbé présente un grand défi à cause du fort couplage entre les entrées de commande et les états du système, de plus ce modèle est sous-actionné. Différentes stratégies de commande sont utilisées pour commander le modèle réduit de l'hélicoptère perturbé à 3 DDL. Des résultats de simulation montre l'efficacité de la commande backstepping qui stabilise le système en suivant une trajectoire et qui rejete parfaitement la perturbation. Une étude en simulation de la robustesse est faite pour cette commande. Pour le modèle général à 7 DDL, une étude de l'équilibre de l'hélicoptère pendant le vol stationnaire est faite. Nous avons ensuite développé le modèle à 7 DDL de l'hélicoptère perturbé par deux types de rafale de vent, verticale et latérale. Contrairement au modèle à 3 DDL, la dynamique de zéros du modèle à 7 DDL est instable. Toutefois, en négligeant les forces de translation d'amplitude faible et les rafales de vent, on peut obtenir un modèle à minimum de phase. Ce dernier nous permet d'utiliser une loi de commande linéarisante approchée AFLC. Pour améliorer la robustesse et la précision de cette commande linéarisante AFLC, on utilise un observateur non linéaire à état étendu et approché AADRC que nous avons développé en se basant sur la méthode de rejet actif de perturbation ADRC et en utilisant le modèle approché. Plusieurs simulations sur le modèle complet montrent alors que l'ajout de cet observateur permet de compenser l'effet des forces de translation d'amplitude faible et des rafales de vent.

Ce travail porte sur une classe étendue de systèmes non linéaires à retards, modelisés sur un anneau non commutatif.<br /><br />On recherche des solutions causales pour divers problèmes de la commande, pouvant être mises en oeuvre sans faire appel aux prédicteurs d'état.<br /><br />Pour ce faire, une nouvelle approche mathematique adaptée à cette classe de systèmes à été introduite. Elle est établie de façon naturelle à partir des connaissances standard sur les systèmes non linéaires sans retard et sur les systèmes linéaires à retards.<br /><br />Cette nouvelle approche est, en fait, une contribution majeure de ce travail de thèse. Elle nous a permis d'étudier quelques propriétés des systèmes non linéaires à retards, telles que l'accessibilité ou l'inversion, mais aussi de proposer des conditions vérifiables et constructives sous lesquelles il existe des solutions causales à plusieurs problèmes de la commande, tels que le rejet de perturbation, la linéarisation entrée-sortie et la poursuite de trajectoire.

Cette thèse traite de méthodologie pour l'analyse et la commande de systèmes linéaires à retards. On s'intéresse plus particulièrement à trois techniques complémentaires. La première est l'approche géométrique. Les systèmes linéaires à retards peuvent se modéliser par un quadruplet de matrices à coefficients sur un anneau. L'approche géométrique consiste alors à étudier un système avec les propriétés des modules de cet anneau. Dans cette partie, on développe une analyse exhaustive des notions d'invariance de modules, en vue d'applications en commande. Des relations logiques entre différentes formes d'invariance contrôlée et d'invariance conditionnelle sont établies. La deuxième approche étudiée dans cette thèse est algébrique. Pour celle-ci, l'utilisation de pseudo-polynômes, qui sont des opérateurs faisant appel à un nombre fini de dérivateurs, de retards ponctuels et distribués, se révèle fondamentale. On utilise plus précisèment l'anneau des fractions propres et stables de pseudo-polynômes pour résoudre le problème de stabilisation d'un système. Ce problème débouche sur une paramétrisation des compensateurs stabilisants et des matrices de transfert en boucle fermée. On étudie alors divers problèmes de commande, comme le rejet de perturbation, l'atténuation de perturbation, la poursuite de modèle exacte ou approchée, ou la commande optimale au sens L1. Enfin, la troisième et dernière approche est le calcul numérique. Dans cette partie, on utilise le calcul par intervalles pour résoudre des problèmes numériques difficiles, comme la stabilité robuste, la stabilisation, ou encore le respect d'un gabarit de performances et de robustesse.

La stabilisation inertielle de ligne de visée est essentiellement un problème de rejet de perturbations : il faut rendre la ligne de visée de la caméra embarquée dans le viseur insensible aux mouvements du porteur. Les méthodes de commande robuste du type H-infini sont bien adaptées à la résolution de ce type de problème, et plus particulièrement l'approche Loop-Shaping qui repose sur des concepts de réglage de l'automatique fréquentielle classique. Cependant, les correcteurs obtenus via cette approche sont généralement d'ordre élevé et donc difficilement implémentables sur le calculateur embarqué du viseur.Dans cette thèse, nous avons proposé des méthodologies de synthèse de correcteurs robustes d'ordre réduit et/ou de structure fixée. Pour cela, nos travaux ont été axés sur :- L'optimisation pour la synthèse H-infini à ordre et/ou structure fixée. Tout d'abord nous avons exploré les possibilités offertes par l'optimisation sous contraintes LMI (Linear Matrix Inequalities). Celles-ci se sont avérées limitées, bien que de nombreux algorithmes aient été proposés dans ce cadre depuis le début des années 90. Ensuite, nous avons opté pour l'optimisation non lisse. En effet des outils numériques récemment développés rendent accessible cette approche, et leur efficacité s'est avéré indéniable.- L'adaptation au cadre particulier du critère H-infini Loop-Shaping.La structure particulière de ce critère de synthèse a été exploitée afin de mieux prendre en compte les pondérations, et d'améliorer la réduction d'ordre du correcteur final. Enfin, une approche basée uniquement sur le réglage graphique d'un gabarit de gain fréquentiel en boucle ouverte est proposée. Ces différentes méthodologies sont illustrées, tout au long de la thèse, sur un viseur dont le modèle a été identifié à partir de mesures expérimentales.

La stabilisation inertielle de ligne de visée est essentiellement un problème de rejet de perturbations : il faut rendre la ligne de visée de la caméra embarquée dans le viseur insensible aux mouvements du porteur. Les méthodes de commande robuste du type H-infini sont bien adaptées à la résolution de ce type de problème, et plus particulièrement l’approche Loop-Shaping qui repose sur des concepts de réglage de l’automatique fréquentielle classique. Cependant, les correcteurs obtenus via cette approche sont généralement d’ordre élevé et donc difficilement implémentables sur le calculateur embarqué du viseur.Dans cette thèse, nous avons proposé des méthodologies de synthèse de correcteurs robustes d’ordre réduit et/ou de structure fixée. Pour cela, nos travaux ont été axés sur :- L’optimisation pour la synthèse H-infini à ordre et/ou structure fixée. Tout d’abord nous avons exploré les possibilités offertes par l’optimisation sous contraintes LMI (Linear Matrix Inequalities). Celles-ci se sont avérées limitées, bien que de nombreux algorithmes aient été proposés dans ce cadre depuis le début des années 90. Ensuite, nous avons opté pour l’optimisation non lisse. En effet des outils numériques récemment développés rendent accessible cette approche, et leur efficacité s’est avéré indéniable.- L’adaptation au cadre particulier du critère H-infini Loop-Shaping.La structure particulière de ce critère de synthèse a été exploitée afin de mieux prendre en compte les pondérations, et d’améliorer la réduction d’ordre du correcteur final. Enfin, une approche basée uniquement sur le réglage graphique d’un gabarit de gain fréquentiel en boucle ouverte est proposée. Ces différentes méthodologies sont illustrées, tout au long de la thèse, sur un viseur dont le modèle a été identifié à partir de mesures expérimentales. / Inertial line of sight stabilization is a disturbance rejection problem: the goal is to hold steady in the inertial space, the line of sight of a camera, which is carried on a mobile vehicle. H-infinity robust control techniques are well suited for this type of problem, in particular the Loop-Shaping approach which relies on classical frequency domain concepts. However, this approach results in high order controllers which are hardly implementable on the real time embedded electronic unit of the sight system.In this thesis, fixed order and fixed structure controller design methodologies are proposed. This development follows two main axis: - Fixed order H-infinity Optimization. First, fixed order controllers have been investigated through the LMI (Linear Matrix Inequalities) optimization framework. However the numerical efficiency of this approach is still limited, despite the large amount of research in this area since the 90’s. Then, we used recently developed and more efficient tools that recast the fixed order H-infinity synthesis problem as a nonsmooth optimization problem.- Adaptation to the H-infinity Loop-Shaping frameworkWe adapted the 4 block H-infinity criterion in order to include the weighting filters in the fixed order controller optimization, which enhance the final controller order reduction. Then, we proposed a fixed order controller design approach, based only on graphically tuning a target open loop frequency gain.