L'objectif de ce travail de thèse est de concevoir des algorithmes de commande et de navigation pour le suivi des cibles dynamiques au sol en utilisant des véhicules aériens. Les quaternions, qui fournissent une alternative aux représentations classiques de la dynamique des véhicules aériens, ont été choisis comme une base pour développer des contrôleurs robustes et des algorithmes de navigation agile, en raison de leurs avantages tels que l'absence de singularités et discontinuités, et leur simplicité mathématique lors de la manipulation des rotations. Les approches de commande explorées à l'aide de quaternions dans cette thèse commencent par le retour d'état, la passivité, et des contrôleurs basés sur l'énergie, jusqu'à des modes glissants, et des approches de saturation en trois dimensions. Ensuite, des stratégies de navigation autonomes et semi-autonomes pour quadrirotors ont été explorées. Un algorithme a été développé pour le pilotage d'un quadrirotor en utilisant des gestes d'un utilisateur portant un bracelet. Afin de faciliter le fonctionnement des multi rotors dans des scénarios défavorables, une stratégie de déploiement agressive a été proposée ou un quadrirotor est lancé à la main avec ses moteurs éteints. Finalement, des techniques de navigation autonomes pour le suivi des cibles dynamiques ont été conçues. Un algorithme de génération de trajectoire basée sur des équations différentielles a été introduit pour le suivi d'un véhicule terrestre tout en décrivant des cercles. Enfin un algorithme de planification de chemin distribué a été développé pour une flottille de drones, afin de suivre de façon autonome des cibles au sol, en résolvant un problème d'optimisation en ligne. / The objective of this thesis work is to design control and navigation algorithms for tracking of dynamic ground targets using aerial vehicles. Quaternions, which provide an alternative to the classical representations of aerial vehicle dynamics, have been chosen as a basement to develop robust controllers and agile navigation algorithm, due to their advantages such as the absence of singularities and discontinuities and their mathematical simplicity when handling rotations. The quaternion-based control approaches explored in this thesis range from state feedback, passivity, and energy-based controllers, up to sliding modes, and three-dimensional saturation approaches. Then, autonomous and semi-autonomous navigation strategies for quadrotors were explored. An algorithm has been developed for controlling a quadrotor using gestures from a user wearing an armband. To facilitate the operation of multirotors in adverse scenarios, an aggressive deployment strategy has been proposed where a quadrotor is launched by hand With its motors turned off. Finally, autonomous navigation techniques for tracking dynamic targets have been designed. A trajectory generation algorithm based on differential equations has been introduced to track a land vehicle while describing circles. Finally a distributed path planning algorithm has been developed for a fleet of drones to autonomously track ground targets by solving an online optimization problem.

Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème du suivi en convoi, désigné en anglais par le terme platooning, où un train de robots essaie de suivre un chemin décrit par le leader. Ce chemin, n'étant pas prédéfini mais généré au cours du suivi, est inconnu de tous les robots suiveurs. Dans ce travail, nous choisissons une approche décentralisée locale où chaque robot du convoi observe son voisinage et calcule son contrôle de façon à avoir un suivi stable (absence d'oscillations) et précis (erreur latérale aussi faible que possible). Cette thèse étudie plus précisément le comportement latéral d'un robot du convoi et propose deux contrôleurs s'appuyant sur la mémorisation du chemin suivi par son prédécesseur. Un premier algorithme de contrôle Memo-LAT (Memorization and Look-Ahead Target) calcule une commande latérale continue en utilisant une loi de contrôle analytique. La stabilité de Memo-LAT n'étant pas toujours garantie, nous proposons l'algorithme de contrôle NOC (Non-Oscillatory Convergence) qui prend en compte la courbure du chemin à suivre dans le calcul du comportement latéral. NOC combine une approche géométrique avec une recherche heuristique pour calculer une commande discrète permettant au robot de suivre avec précision le chemin de son prédécesseur sans oscillation. / This thesis deals with the platooning problem which aims to concieve a control algorithm allowing a convoy of vehicles to follow their leader's path. This path, which is initially undefined and unknown to all the following robots, is generated as the leader moves. In this thesis, we choose a local decentralized approach in which each robot of the platoon uses its local perceptions to compute its own commands aiming to achieve a stable (no oscillations) and precise (with a lateral error as small as possible) platooning. More precisely, this thesis studies the lateral behavior of a platoon's robot and introduces two controllers based on the memorization of the robot's predecessor's path. The first algorithm, Memo-LAT (Memorization and Look-Ahead Target), computes a continuous lateral command using an analytic control law. As the stability of Memo-LAT is not always guaranteed, we present NOC (Non-Oscillatory Convergence), a control algorithm which takes into account the path's curvature in the robot's lateral behavior's computation. NOC combines a geometric approach to a heuristic search method to compute a discrete command allowing the robot to follow precisely and without oscillations its predecessor's path

Les fauteuils roulants électriques (FRE) ont permis à nombre de personnes handicapés moteurs de retrouver une mobilité satisfaisante, ce qui a amélioré leur qualité de vie, un vaste champ d’activités leur étant devenu accessible. Lors de la prescription d’un FRE ou d’une phase d’apprentissage à la conduite il est cependant nécessaire d’évaluer les capacités de ces personnes à piloter un fauteuil. Dans ce contexte, notre objectif consiste à déterminer des paramètres pertinents permettant de décrire la qualité de la conduite d’un FRE pour des personnes ayant des déficiences motrices sévères. Tout d’abord, nous avons modélisé le système pilote-FRE par le modèle OPCM (Optimal Preview Control Model) de Sharp. Ce modèle est basé sur la distance anticipée (Dp) par l’utilisateur durant sa conduite du FRE. Cette distance a été estimée grâce à un système de suivi du regard combiné avec le simulateur 3D ViEW du laboratoire LCOMS. Un panel de 15 sujets valides a été recruté pour faire des tests de conduite sur simulateur et valider la modélisation OPCM. La distance Dp a permis de décrire le comportement du pilote. Ensuite, une analyse de la distance anticipée Dp en fonction de différentes zones du parcours (slalom serré, virage, slalom large), a montré que ce paramètre peut être utilisé pour différencier les différents comportements de conduite liées aux différentes situations du parcours. Ensuite nous avons comparé cette distance anticipée entre deux groupes, familiarisés et novices vis-à-vis de la conduite en FRE. L’analyse a montré que le groupe familiarisé présente une distance Dp plus importante que le groupe novice. Enfin, une dernière expérience a eu lieu au Centre de Réadaptation de Flavigny sur Moselle (54, France). Nous avons estimé la distance anticipée (Dp) pour des sujets à déficiences motrices sévères, afin de valider le paramètre Dp comme indicateur de performance. Une étude de cas a été établie portant sur 5 enfants en situation de handicap, en comparant leurs résultats à ceux obtenus précédemment sur un panel de personnes valides / The Powered wheelchairs (PW) allowed many people with motor disabilities to find a suitable mobility, which improved their quality of life. Hence, a vast field of activities has become accessible for them. When prescribing a PW or in a learning phase, however, it is necessary to evaluate the ability of these people to drive a wheelchair. In this context, our goal is to determine relevant parameters to describe the quality of driving on PW for people with disabilities. First, we modeled the pilot-PW system using the OPCM (Optimal Preview Control Model) model proposed by Sharp. This model is based on the preview distance (Dp) of the user during his driving. This distance has been estimated thanks to an eye-tracking system combined with the ViEW 3D simulator of the LCOMS laboratory. A panel of 15 healthy subjects was recruited to drive the PW on a 3D simulator and to validate the OPCM modeling. This distance Dp allows to describe the behavior of the pilot. If this distance is important, it guarantees the tracking trajectory of the OPCM model. Otherwise, the OPCM model diverges. This shows that if the user looks a long part of his future path, he will better anticipate the future control applied to the PW (change of direction, braking, etc.), which allows him to follow his path. In this situation the user has a tracking behavior. In the otherwise, the user’s behavior is rather compensatory. Then, an analysis of preview distance Dp with respect to the different zones of the path (tight slalom, turn, wide slalom), showed that the parameter Dp can be used to differentiate the different driving behaviors related to the different situations of the path. Next, we compared the preview distance between two groups, familiar and novice with regard to the PW driving. The analysis showed that the familiar group has a greater distance value than the novice group. Finally, a last experiment took place at the Rehabilitation Center of Flavigny sur Moselle (54, France). We estimated the preview distance (Dp) for subjects with severe motor impairment, in order to validate the parameter Dp as a performance indicator. A case study analysis was established on five children with disabilities comparing their results with those previously obtained with the healthy subjects

Aujourd’hui, comprendre comment les plantes réagissent au stress hydrique est essentiel pour relever le défi de développer de nouveaux cultivars et de nouvelles stratégies d’irrigation, compatibles avec le maintien de la productivité des cultures sous les effets néfastes du réchauffement climatique. Dans ce contexte, l’étude des relations eau/plante présente un intérêt majeur pour la modélisation des réponses des plantes et des organes aux contraintes biotiques et abiotiques. Paradoxalement, il existe très peu de méthodes directes et non invasives pour quantifier et mesurer le niveau et le débit de l’eau dans les plantes.Dans le cadre de ce projet, nous rapportons le développement d’une méthodologie innovante basée sur la relaxation par résonance magnétique nucléaire à champ faible (RMN). Un dispositif RMN dédié pour effectuer des mesures RMN sur des plantes vivantes a été construit dans une chambre climatique qui permet un contrôle et une modification minutieuse des paramètres environnementaux pendant l’expérimentation sur des longues périodes au laboratoire. En parallèle, une imagerie RMN complémentaire à haut champ magnétique pour étudier, l’anatomie, la teneur en eau, le transport du phloéme et du xylème chez les plants de sorgho a été réalisé. La combinaison de ces approches nous permet de déterminer des biomarqueurs éco-physiologiques innovants et de concevoir de nouvelles expériences en laboratoire et même dans les champs.Un résultat particulièrement intéressant concerne l’étude de la distribution spatiale de l’eau dans les tiges (nœuds et entrenœuds) à partir de la relaxométrie RMN à faible champ et des images IRM 3D à haute résolution. La modification des paramètres de relaxation RMN au cours du cycle diurne dynamique sera présentée dans des conditions normales et en situation de stress abiotique. Une application directe permet d’extraire des biomarqueurs écophysiologiques qui permettent d’explorer et de modéliser les flux d’eau en période de stress hydrique et d’analyser leur impact sur le développement du sorgho.Notre but ultime est d’effectuer ces études RMN directement dans les champs. Ainsi, un appareil RMN portable fait maison, fonctionnant à 336 kHz est présenté. Le développement et l’optimisation de l’homogénéité d’un aimant résistif et de bobines Radio Fréquence ainsi que des séquences d'impulsions RMN, afin de respecter la polyvalence et les conditions thermiques pour maintenir la plante ,intacte sont décrits en détails. Enfin nous présenterons nos investigations menées avec ce dispositif en laboratoire, dans les serres et dans les champs de sorgho. / Today, understanding how plants respond to water stress is essential to meet the challenge of developing new cultivars and new irrigation strategies, consistent with the maintenance of crop productivity with the evidence of global warming. In this context, the study of plant /water relations is of central interest for modeling plant and organ responses to biotic and abiotic constraints. Paradoxically, there are very few direct and non-invasive methods to quantify and measure the level and the flow of water in plants.For this purpose, we report on the development of an innovative methodology based on low-field Nuclear Magnetic Resonance Relaxometry (NMR). A dedicated NMR device to perform NMR measurements on living plants has been built in a climatic chamber that allows a control and careful modification of environmental parameters during experimentation over reliable periods of time at the laboratory. In parallel, complementary NMR imaging at high magnetic field to study, the anatomy, water content, phloem and xylem transport in sorghum plants were performed. The combination of these approaches allows us to determine innovant eco-physiological biomarkers and to design new experiments in the laboratory and even in the fields.One particular interesting result concertns the investigation of the spatial distribution of water stems (node and inter node) from low field NMR Relaxometry and 3D high resolution MRI images. The modification of the NMR relaxation parameters during dynamic diurnal cycle will be presented in normal and abiotic stress conditions. A direct application permits to extract eco-physiological biomarkers which allows to explore and model water fluxes during water stress and to analyze their impact on the development of sorghum plant. Our ultimate goal is to perform these NMR studies directly in the fields. Thus, a home made portable NMR device, working at 336kHz(8mT) is presented. The development and optimization of the homogeneity of a resistive magnet and Radio Frequency coils, NMR pulse sequences in order to respect the versatility and thermal conditions to maintain the plant intact are described in details. Finally we will present our investigations conducted with this device in the laboratory, in the greenhouses and in sorghum fields.

Les capacités physiques et cognitives diminuent considérablement à cause du vieillissement. Les problèmes de santé liées au vieillissement présentent une grande charge pour la santé publique. Aujourd’hui, les services gériatriques ne sont pas suffisants pour détecter les problèmes de santé dans les premiers stades de leur évolution, dans le but d’améliorer l’évaluation et l’intervention médicale des personnes âgées. Traduire ces besoins gériatriques à travers les services existants est essentiel pour améliorer leur impact. Dans le cadre de ma thèse, je propose une approche technologique qui utilise des technologies non-intrusives pour analyser le comportement des personnes âgés sur de longues périodes et détecter des possibilités d’évolution de maladies physiques ou cognitives. Des références gériatriques internationales me permettent d’identifier des indicateurs de changement de comportement qui peuvent être suivis à travers de technologies non-intrusives sans interférer avec le comportement naturel des personnes âgées. J’analyse ces indicateurs en considérant plusieurs dimensions spatio-temporelles, et utilisant des techniques de détection de changement qui différencient les changements transitoires et continus dans le comportement suivi. Je valide mon approche proposée à travers un déploiement réel de 3 ans dans une maison de retraite et des maisons individuelles.Je propose une méthodologie de détection précoce et non-intrusive des possibilités de changement dans l’état de santé. Des entretiens personnels avec les personnes âgées, les membres de la famille, les médecins gériatres et les infirmières de la maison de retraite me permettent d’identifier leurs besoins gériatriques. Les parties prenantes de mes services proposés ont besoin d’une information fiable à propos des changements possibles dans l’état de santé le plus tôt possible, sans suivre les personnes d’une manière intrusive. Afin de traduire ces besoins gériatriques, je propose une approche technologique qui utilise des technologies non-intrusives pour suivre les personnes âgées pendant des semaines et des mois, et identifier des changements possible dans leur comportement fortement liés à des problèmes physiques ou cognitifs.Mon service web ChangeTracker implémente ma méthodologie. ChangeTracker analyse le comportement des personnes âgées en ligne et détecte des changements possibles chaque jour. Je développe des algorithmes qui convertissent les données de capteurs brutes en données inférées en relation avec l’état de santé de la personne suivie. Des techniques de détection de changement (par ex., des techniques statistiques, probabilistes et d’apprentissage) distinguent les changements temporaires et continus dans le comportement de la personne.Une validation réelle de mon approche a lieu dans 3 villes françaises Montpellier, Lattes et Occagnes. Les résultats expérimentaux de 25 participants validement ma détection précoce et non-intrusive des changements de santé. Les 25 participants vivent seuls à domicile ou dans une maison de retraite. Dans mon cas d’étude, j’installe des capteurs de mouvement dans chaque chambre de la maison et des capteurs de contact sur chaque porte principale. Ces capteurs collectent mes données de suivi pendant 3 ans. Mes algorithmes analysent ces données, calculent des indicateurs gériatriques significatifs, et détectent des changements possibles en corrélation avec l’état de santé. / Aging process is associated with serious decline in physical and cognitive abilities. Aging-related health problems present growing burden on public health and economy. Nowadays, existing geriatric services have limitations in terms of early detecting possible health changes toward better adaptation of medical assessment and intervention for elderly people. Bridging the gap between these geriatric needs and existing services is a major enabler to improve their impact. In this thesis, proposed technological approach employs unobtrusiveInternet of Things (IoT) technologies for long-term behavior monitoring and early detection of possible changes. Proposed methodology identifies geriatric indicators that can be monitored via unobtrusive IoT technologies, and are associated with physical and cognitive problems. This thesis develops data processing algorithms that convert raw sensor data into geriatric indicators. These geriatric indicators are analyzed on a daily basis, in order to early detect possible changes. This thesis evaluates and adapts further statistical, probabilistic and machine-learning techniques for long-term change detection. Adapting these techniques discards transient deviations, and retains permanent changes in monitored behavior. Real 3-year deployments in nursing home and individual houses validate proposed approach. Medical clinic geriatrician and nursing home team validate medical relevance of detected changes.

Cette thèse traite de la question du contrôle du mouvement d'engins non-holonomes et sous-actionnés évoluant de manière coordonnée et autonome. Les différentes approches considérées sont le suivi de trajectoire (Trajectory Tracking TT) et le suivi de chemin (path following PF). Une nouvelle méthode de contrôle est proposée. Dénommée Path-Tracking (PT), elle permet de cumuler les avantages de chacune des deux précédentes méthodes, permettant de cumuler la souplesse de la convergence induite par le suivi de chemin avec le respect des contraintes temporelles du suivi de trajectoire. L'étude et la réalisation de la commande démarre avec l'étude du cas du robot nonholonome de type Unicycle' et se base sur les principes de Lyapunov' et de Backstepping'. Ces premiers résultats sont ensuite étendus au cas d'un véhicule sous-marin sous-actionné de type AUV (Autonomous Underwater Vehicle'), en analysant les similarités cinématiques entre ces deux types de véhicules. De plus, il est montré la nécessité de prendre en compte les propriétés dynamiques du système de type AUV, et la condition de Stern dominancy' est établie de façon à garantir que le problème est bien posé et ainsi que la commande soit aisément calculable. Dans la cas d'un système marin sur-actionné, qui peut ainsi effectuer des tâches de navigation au long cours et de positionnement désiré (Station keeping'), une commande hybride est proposée. Enfin, la question du contrôle coordonné d'une formation d'engins marin est abordée. Les colutions de commande pour les taches de suivi de chemin coordonné (coordinated path following') et de coordinated path tracking' sont proposées. Les principes du leader-follower' et la méthode des structures virtuelles sont ainsi traitées dans un cadre de contrôle centralisé, et le cas décentralisé est traité en utilisant certains principes de théorie des graphes. / In this dissertation, the problems of motion control of underactuated autonomous vehicles are addressed,namely trajectory tracking (TT), path following (PF), and novelly proposed path tracking whichblending the PF and TT together in order to achieve smooth spatial convergence and tight temporalperformance as well.The control design is firstly started from the benchmark case of nonholonomic unicycle-type vehicles,where the Lyapunov-based design and backstepping technique are employed, and then it is extendedto the underactuated AUVs based on the similarity between the control inputs of two kinds of vehicles.Moreover, dealing with acceleration of side-slip angle is highlighted and stern-dominant property of AUVsis standing out in order to achieve well-posed control computation. Transitions of motion control fromunderactuated to fully actuated AUVs are also proposed.Finally, coordinated formation control of multiple autonomous vehicles are addressed in two-folds,including coordinated paths following and coordinated paths tracking, based on leader-follower andvirtual structure method respectively under the centralized control framework, and then solved underdecentralized control framework by resorting to algebraic graph theory.

L'objectif principal de ce travail est de proposer des approches de commande performantes et robustes aux incertitudes pour les robots parallèles de type Delta, qui sont conçus pour effectuer des tâches industriels importantes et exigeantes comme l'emballage en agroalimentaire, la découpe laser, etc. Les difficultés les plus importantes pour garantir une bonne performance de suivi de trajectoires de ces manipulateurs pour les hautes accélérations avec la meilleure précision possible, tout en conservant de telle performance indépendamment des conditions d'opération (par exemple avec différentes conditions de charge, différentes trajectoires, etc.) sont leur actionnement couplé, l'augmentation de leurs dynamiques non-linéaires et le problème de vibrations mécaniques avec l'augmentation des accélérations envisagées, la présence d'incertitudes sur le modèle/environnement et la redondance d'actionnement si elle existe. Dans cette thèse, différentes approches de commande et observateurs d'état ont été proposés et implémentés expérimentalement sur deux robots de type Delta, à savoir le Par2 (non-redondant) et le R4 (à redondance d'actionnement). Pour le premier, une commande non linéaire/adaptative à mode Dual a été proposée en espace articulaire, synthétisé avec trois différents observateurs d'état pour la estimation des vitesses articulaires: un observateur lead-lag, un observateur Alpha-bêta-gamma et un observateur à grand gain. Pour le robot R4, un commande à feedforward en espace-dual avec a été proposée pour la compensation de sa dynamique (avec laquelle une aaccélération maximale de 100G a été atteinte), puis un contrôleur adaptatif dans l'espace-dual a été proposé afin de garantir une estimation et mise à jours automatique des paramètres du système en temps réel, garantissant ainsi sa bonne performance indépendamment du scénario expérimental. L'analyse de stabilité du robot Par2 bouclé avec la commande adaptative à Mode Dual et du robot R4 commandé avec le contrôleur adaptatif dans l'espace-dual sont fournies, des simulations ont été effectuées et les résultats expérimentaux confirment la bonne performance des approches de commande proposées. / The main objective of this work is to propose control strategies performant and robust towards uncertainties for Delta-like parallel robots, which are designed to perform important and demanding industrial tasks, such as packaging, laser cutting, etc. The most important difficulties to guarantee the good tracking performance of these manipulators for very high accelerations with the best possible precision, while maintaining such performance independently of the operational case (e.g. with different load conditions, different trajectories, etc.) are their coupled actuation, the increase of their high nonlinear dynamics and the problem of mechanical vibrations with the increase of the involved accelerations, the presence of uncertainties in the model/environment and the redundant actuation when applicable. In this thesis, different control schemes and state observers were proposed and experimentally implemented on two Delta-like robots, namely the Par2 (non-redundant) and the R4 (redundantly actuated) parallel manipulators. For the former, a nonlinear/adaptive Dual Mode controller was proposed in the joint space, complied with three different state observers for the estimation of joint velocities: a Lead-lag based observer, an Alpha-beta-gamma observer and the High-gain observer. For the latter, firstly a dual-space feedforward controller was proposed for the compensation of its dynamics (with which a maximum of 100G of acceleration was reached), then a dual-space adaptive controller was proposed in order to automatically estimate the parameters of the system in real-time, thus guaranteeing its good performance independently of the experimental scenario. The stability analysis of Par2 robot under the control of the Dual Mode controller and the R4 robot under the control of the dual-space adaptive controller are provided, simulations were performed and the experimental results confirm the good performance of the proposed control schemes.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent le thème des fonctionnalités visuelles qu'il convient d'embarquer sur un robot mobile, afin qu'il puisse se déplacer dans son environnement. Plus précisément, ils ont trait aux méthodes de perception par vision stéréoscopique dense, de modélisation de l'environnement par grille d'occupation, et de suivi visuel d'objets, pour la navigation autonome d'un robot mobile dans un environnement d'intérieur. Il nous semble important que les méthodes de perception visuelle soient à la fois robustes et rapide. Alors que dans les travaux réalisés, on trouve les méthodes globales de mise en correspondance qui sont connues pour leur robustesse mais moins pour être employées dans les applications temps réel et les méthodes locales qui sont les plus adaptées au temps réel tout en manquant de précision. Pour cela, ce travail essaye de trouver un compromis entre robustesse et temps réel en présentant une méthode semi-locale, qui repose sur la définition des distributions de possibilités basées sur une formalisation floue des contraintes stéréoscopiques.Il nous semble aussi important qu'un robot puisse modéliser au mieux son environnement. Une modélisation fidèle à la réalité doit prendre en compte l'imprécision et l'incertitude. Ce travail présente une modélisation de l'environnement par grille d'occupation qui repose sur l'imprécision du capteur stéréoscopique. La mise à jour du modèle est basée aussi sur la définition de valeurs de crédibilité pour les mesures prises.Enfin, la perception et la modélisation de l'environnement ne sont pas des buts en soi mais des outils pour le robot pour assurer des tâches de haut niveau. Ce travail traite du suivi visuel d'un objet mobile comme tâche de haut niveau. / This work concerns visual functionalities to be embedded in a mobile robot for navigation purposes. More specifically, it relates to methods of dense stereoscopic vision based perception, grid occupancy based environment modeling and object tracking for autonomous navigation of mobile robots in indoor environments.We consider that is important for visual perception methods to be robust and fast. While in previous works, there are global stereo matching methods which are known for their robustness, but less likely to be employed in real-time applications. There are also local methods which are more suitable for real time but imprecise. To this aim, this work tries to find a compromise between robustness and real-time by proposing a semi-local method based on the definition of possibility distributions built around a fuzzy formalization of stereoscopic constraints.We consider also important for a mobile robot to better model its environment. To better fit a model to the reality we have to take uncertainty and inaccuracy into account. This work presents an occupancy grid environment modeling based on stereoscopic sensor inaccuracy.. Model updating relies on the definition of credibility values for the measures taken.Finally, perception and environment modeling are not goals but tools to provide robot high-level tasks. This work deals with visual tracking of a moving object such as high-level task.

Le Japon s’est doté du réseau sismologique à haute sensibilité (Hi-net) qui contient plus de 1000 stations permanentes, qui fournissent d’immenses ensembles des données continues au Japon. Dans le cadre d’un accord avec le NIED, nous bénéficions d’enregis- trements de fond de données à court et à long periodes pour analyser les variations de vitesse sismiques, afin de suivre l’évolution mécanique de la croûte temporelle avec une résolution temporelle mensuelle à quotidienne dans les différentes bandes de périodes. Les résultats de courte période nous aident à mieux comprendre la sismologie environnemen- tale sur les processus souterrains sous les impacts de certains forçages environnementaux environnants tels que l’hydrologie, la thermoelasticité et certains effets de charge directe. Les résultats de longues périodes montrent des réponses co- et post-sismiques différentes avec la profondeur. Il s’agit d’une méthode supplémentaire et directe pour révéler en profondeur le champ de contrainte/déformation, ce qui améliore la perception du mécanisme d’un tremblement de terre. Cette thèse comprend principalement les trois parties suivantes.La première partie est consacrée à la présentation de la relation entre la fonction de Green et les corrélations croisées. La simulation numérique à Hokkaido vérifie également l’établissement de la relation entre les deux.La seconde partie concerne l’analyse des variations transitoires de la vitesse des ondes sismiques dans la croûte provoquées par les perturbations environnementales. Les impacts des perturbations saisonnières environnementales sur la déformation de la croûte sont généralement suivis et discutés en fonction des observations géodésiques. Récemment, la surveillance du bruit sismique ambiant fournit de nouvelles informations sur la déformation continue de la croûte, révélée par les changements de vitesse sismiques temporels. Dans cette étude, nous identifions les différents facteurs environnementaux responsables des effets saisonniers locaux et montrons comment une meilleure compréhension de ces perturbations de la croûte causée par l’environnement améliore les observations des modifications des propriétés sismiques induites par la tectonique.La dernière partie consiste à étudier la réponse mécanique de la croûte aux grands séismes. La surveillance de la vitesse sismique basée sur le bruit peut directement son- der en permanence l’état mécanique de la croûte en profondeur. Dans ce travail, nous étudions la réponse de la croûte terrestre au séisme de Tohoku-oki Mw 9.0, 2011. Nous employons ici pour la première fois le réseau très dense de Hi-Net tiltmètre en tant que sismomètres de longue période (8 - 50 s) pour que la surveillance basée sur le bruit échantillonne la croûte à plus de 5 km en profondeur. L’évolution spatio-temporelle des changements de vitesse sismiques dans différentes bandes de périodes révèle une réponse sismique dépendant de la profondeur, qui est la limite pour les données des sismomètres courte période. Le résultat pourrait avoir des implications à la fois sur la réponse viscoélastique de la croûte aux grands déformations ou sur une réponse complexe des vitesses sismiques de la croûte à un ècoulement de fluide transitoire.Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration plus générale entre ISTerre- Universit Grenoble Aples et le Massachusetts Institute of Technology visant à développer des outils de surveillance dans des contextes naturels et industriels. / The Japanese High Sensitivity Seismograph Network (Hi-net) contains more than 1000 permanent stations, which provide large continuous data sets throughout Japan. In the framework of an agreement with NIED, we benefit from both short period and tilt meters data downhole recordings to analyze the seismic velocity variations, thus to follow the mechanical evolution of the crust in different time scales with a temporal re- solution from monthly to daily in different period ranges. The short period results help us better understanding the environmental seismology on the subsurface processes under the impacts of some surrounding environmental forcing such as hydrology, thermoelas- ticity, and some direct loading effects. The results from long periods show different co- and postseismic responses with depth. This is a supplementary and direct method to disclose the stress/strain field at depth improving the perception of the mechanism of an earthquake. This thesis mainly consists of the following three parts.The first part is devoted to the theoretical demonstration of the relationship between the Green’s function and cross-correlations. The numerical simulation in Hokkaido also verifies the establishment of the in-between connection.The second part is about the analysis of the transient changes of seismic wave velo- city in the crust caused by environmental perturbations. The impacts of environmental seasonal disturbances to crustal deformation are usually tracked and discussed based on geodetic observations. Recently, ambient seismic noise-based monitoring provides new insights into the continuous deformation in the crust as revealed by the temporal seismic velocity changes. In this study, we identify the different environmental factors in charge of the local seasonal effects and show how better understanding these environmentally induced crustal perturbations improves the observations of tectonic-induced seismic pro- perty changes.The last part is to study the mechanical response of the crust to large earthquakes.Noise-based seismic velocity monitoring can directly probe the mechanical state of the crust at depth continuously in time. In this work, we study the response of the crust to the Mw 9.0, 2011 Tohoku-oki earthquake. we employ here for the first time the very dense network of Hi-net tilt meters as long period (8 – 50 s) seismometers for the noise-based monitoring to sample the crust below 5 km depth. Spatio-temporal evolution of seismic velocity changes in different period bands reveals depth-dependent seismic response. The result could have implications of both nonelastic response of the crust to large strain changes or a complex response of crustal seismic velocities to transient fluid flow.This thesis is in the context of a more general collaboration between ISTerre- Universit Grenoble Aples, and the Massachusetts Institute of Technology aiming at developing tools for monitoring in natural and industrial contexts.

Dans ce travail, nous avons abordé le problème d’estimation automatique du regard dans des environnements utilisateur sans contraintes. Ce travail s’inscrit dans la vision par ordinateur appliquée à l’analyse automatique du comportement humain. Plusieurs solutions industrielles sont aujourd’hui commercialisées et donnent des estimations précises du regard. Certaines ont des spécifications matérielles très complexes (des caméras embarquées sur un casque ou sur des lunettes qui filment le mouvement des yeux) et présentent un niveau d’intrusivité important, ces solutions sont souvent non accessible au grand public. Cette thèse vise à produire un système d’estimation automatique du regard capable d’augmenter la liberté du mouvement de l’utilisateur par rapport à la caméra (mouvement de la tête, distance utilisateur-capteur), et de réduire la complexité du système en utilisant des capteurs relativement simples et accessibles au grand public. Dans ce travail, nous avons exploré plusieurs paradigmes utilisés par les systèmes d’estimation automatique du regard. Dans un premier temps, Nous avons mis au point deux systèmes basés sur deux approches classiques: le premier basé caractéristiques et le deuxième basé semi apparence. L’inconvénient majeur de ces paradigmes réside dans la conception des systèmes d'estimation du regard qui supposent une indépendance totale entre l'image d'apparence des yeux et la pose de la tête. Pour corriger cette limitation, Nous avons convergé vers un nouveau paradigme qui unifie les deux blocs précédents en construisant un espace regard global, nous avons exploré deux directions en utilisant des données réelles et synthétiques respectivement. / In this thesis, we tackled the automatic gaze estimation problem in unconstrained user environments. This work takes place in the computer vision research field applied to the perception of humans and their behaviors. Many existing industrial solutions are commercialized and provide an acceptable accuracy in gaze estimation. These solutions often use a complex hardware such as range of infrared cameras (embedded on a head mounted or in a remote system) making them intrusive, very constrained by the user's environment and inappropriate for a large scale public use. We focus on estimating gaze using cheap low-resolution and non-intrusive devices like the Kinect sensor. We develop new methods to address some challenging conditions such as head pose changes, illumination conditions and user-sensor large distance. In this work we investigated different gaze estimation paradigms. We first developed two automatic gaze estimation systems following two classical approaches: feature and semi appearance-based approaches. The major limitation of such paradigms lies in their way of designing gaze systems which assume a total independence between eye appearance and head pose blocks. To overcome this limitation, we converged to a novel paradigm which aims at unifying the two previous components and building a global gaze manifold, we explored two global approaches across the experiments by using synthetic and real RGB-D gaze samples.