Cette dissertation fait face au problème de la localisation de sources, un sujet qui a été largement étudié dans la littérature récente au vu de son grand nombre d'applications. En particulier, ce travail se concentre sur le pilotage de multiples capteurs, capables de prendre des mesures ponctuelles de la quantité émise, vers la source sans faire usage d'aucune information de position, qui se trouve être indisponible dans de nombreux cas pratiques (par exemple, sous l'eau ou dans l'exploration souterraine). En faisant quelques hypothèses sur le processus de diffusion, nous développons un modèle qui permet d'utiliser des outils mathématiques (l'intégrale de Poisson et ses dérivées) pour obtenir une simple approximation du gradient de la fonction décrivant le processus de diffusion, dont la source représente le maximum, ce qui permet d'utiliser l'algorithme du gradient et trouver l'emplacement de la source. Les contributions sont de trois ordres : d'abord, nous utilisons ces outils pour résoudre le problème de la recherche d'une source en deux dimensions à travers d'un contrôle centralisé, où un seul véhicule, équipé de multiples capteurs et sans information de position, se déplace dans un environnement planaire où se trouve une source. Ensuite, nous étendons cette recherche à un cadre en trois dimensions, en considérant un engin volant équipé de capteurs qui se déplace dans l'espace ; pour ce cas plus général, outre la validation par simulations, nous fournissons également une étude théorique des propriétes de convergence de la loi de commande proposée. Enfin, nous abordons le problème de la localisation de source de façon distribuée, compte tenu de plusieurs capteurs autonomes mobiles (en deux dimensions) ; outre le problème de mettre en oeuvre l'algorithme de localisation de source de manière distribuée, nous devons garantir un contrôle de la formation approprié pour assurer l'exactitude de l'estimation du gradient, et donc atteindre la source.} / The dissertation faces the problem of source localisation, a topic which has been extensively studied in recent literature due to its large number of applications. In particular, it focuses on steering multiple sensors, able to take point-wise measurements of the emitted quantity, towards the source without making use of any position information, which happens to be unavailable in many practical cases (for example, underwater or underground exploration). By making some assumptions on the diffusion process, we develop a model which allows us to use some mathematical tools (the Poisson integral and its derivatives) for a simple approximation of the gradient of the function describing the diffusion process, whose source represents its maximum, making it possible to perform a gradient ascent to find the source location. The contributions are threefold: first, we use such tools to solve a 2-dimensional centralised source-seeking problem, where a single vehicle, equipped with multiple sensors and without position information, is moving in a planar environment where a source is supposed to emit. Then, we extend it to a 3-dimensional framework, considering a flying vehicle equipped with sensors moving in the space; for this more general case, in addition to simulation validation, we provide a theoretical study of the convergence properties of the proposed control law. Finally, we tackle the distributed source-localisation problem, considering several autonomous moving sensors (in two dimensions); in addition to the problem of implementing the source-localisation algorithm in a distributed manner, in this latter case we have also to guarantee a suitable formation control, to ensure the correctness of the gradient estimation and hence reach the source.

This dissertation presents the design, simulation, and execution of multi-unmanned aerial vehicles (UAV)-based cooperative source seeking and contour mapping with cyber-physical systems(CPS). Both fixed-wing UAVs and vertical takeoff and landing (VTOL) UAVs are developed as the flight platforms. Compared with single UAV, multi-UAV formation with advanced cooperative control strategies has more advantages for radiative source detection, especially in urgent tasks, for example, detecting nuclear radiation before deploying the salvage. A contour mapping algorithm for the nuclear radiation is proposed, and practical predefined waypoint-based formation flights are realized. Next, four scenarios are developed for multi-UAV-based cooperative source seeking and contour mapping of radiative signal fields. the fixed wing UAVs are more suitable for widespread detection, while VTOL UAVs are better for accurate detection. The flight control of each VTOL UAV is very critical, and the designed fractional order controller for pitch-loop control guarantees the stable flight. The conclusion of this dissertation and suggestions for future research are presented in the end.