Cette thèse traite de deux problèmes qui ont leur origine dans la théorie du contrôle géométrique, et qui concernent les systèmes de contrôle avec dérive, c'est-à-dire de la forme $\dot q= f_0(q)+\sum_{j=1}^m u_j f_j(q)$. Dans la première partie de la thèse, on généralise le concept de complexité de courbes non-admissibles, déjà bien compris pour les systèmes sous-riemanniens, au cas des systèmes de contrôle avec dérive, et on donne des estimations asymptotiques de ces quantités. Ensuite, dans la deuxième partie, on considère une famille de systèmes de contrôle sans dérive en dimension 2 et on s'intéresse à l'operateur de Laplace-Beltrami associé et à l'évolution de la chaleur et des particules quantiques qu'il définit. On étudie plus particulièrement l'effet qu'a l'ensemble où les champs de vecteurs contrôlés deviennent colinéaires sur ces évolutions.

Le développement de véhicules autonomes capables de se déplacer sur les routes urbaines peuvent fournir des avantages importants en matière de réduction des accidents, en augmentant le confort et aussi, permettant des réductions de coûts. Les véhicules Intelligents par exemple fondent souvent leurs décisions sur les observations obtenues à partir de différents capteurs tels que les LIDAR, les GPS et les Caméras. En fait, les capteurs de la caméra ont reçu grande attention en raison du fait de qu’ils ne sont pas cher, facile à utiliser et fournissent des données avec de riches informations. Les environnements urbains représentent des scénarios intéressant mais aussi très difficile dans ce contexte, où le tracé de la route peut être très complexe,la présence d’objets tels que des arbres, des vélos, des voitures peuvent générer des observations partielles et aussi ces observations sont souvent bruyants ou même manquant en raison de occlusions complètes. Donc, le processus de perception par nature doit être capable de traiter des incertitudes dans la connaissance du monde autour de la voiture. Tandis que la navigation routière et la conduite autonome en utilisant une connaissance préalable de l’environnement ont démontré avec succès, la compréhension et la navigation des scénarios généraux du environnement urbain avec peu de connaissances reste un problème non résolu. Dans cette thèse, on analyse ce problème de perception pour la conduite dans les milieux urbains basée sur la connaissance de l’environnement pour aussi prendre des décisions dans la navigation autonome. Il est conçu un système de perception robotique, qui permettre aux voitures de se conduire sur les routes, sans la nécessité d’adapter l’infrastructure, sans exiger l’apprentissage précédente de l’environnement, et en tenant en compte la présence d’objets dynamiques tels que les voitures.On propose un nouveau procédé basé sur l’apprentissage par la machine pour extraire le contexte sémantique en utilisant une paire d’images stéréo qui est fusionnée dans une grille d’occupation évidentielle pour modéliser les incertitudes d’un environnement urbain inconnu,en utilisant la théorie de Dempster-Shafer. Pour prendre des décisions dans la planification des chemins, il est appliqué l’approche de tentacule virtuel pour générer les possibles chemins à partir du centre de référence de la voiture et sur cette base, deux nouvelles stratégies sont proposées. Première, une nouvelle stratégie pour sélectionner le chemin correct pour mieux éviter les obstacles et de suivre la tâche locale dans le contexte de la navigation hybride, et seconde, un nouveau contrôle en boucle fermée basé sur l’odométrie visuelle et tentacule virtuel est modélisée pour l’exécution du suivi de chemin. Finalement, un système complet automobile intégrant les modules de perception, de planification et de contrôle sont mis en place et validé expérimentalement dans des situations réelles en utilisant une voiture autonome expérimentale, où les résultats montrent que l’approche développée effectue avec succès une navigation locale fiable basée sur des capteurs de la caméra. / The development of autonomous vehicles capable of getting around on urban roads can provide important benefits in reducing accidents, in increasing life comfort and also in providing cost savings. Intelligent vehicles for example often base their decisions on observations obtained from various sensors such as LIDAR, GPS and Cameras. Actually, camera sensors have been receiving large attention due to they are cheap, easy to employ and provide rich data information. Inner-city environments represent an interesting but also very challenging scenario in this context,where the road layout may be very complex, the presence of objects such as trees, bicycles,cars might generate partial observations and also these observations are often noisy or even missing due to heavy occlusions. Thus, perception process by nature needs to be able to dea lwith uncertainties in the knowledge of the world around the car. While highway navigation and autonomous driving using a prior knowledge of the environment have been demonstrating successfully,understanding and navigating general inner-city scenarios with little prior knowledge remains an unsolved problem. In this thesis, this perception problem is analyzed for driving in the inner-city environments associated with the capacity to perform a safe displacement basedon decision-making process in autonomous navigation. It is designed a perception system that allows robotic-cars to drive autonomously on roads, with out the need to adapt the infrastructure,without requiring previous knowledge of the environment and considering the presenceof dynamic objects such as cars. It is proposed a novel method based on machine learning to extract the semantic context using a pair of stereo images, which is merged in an evidential grid to model the uncertainties of an unknown urban environment, applying the Dempster-Shafer theory. To make decisions in path-planning, it is applied the virtual tentacle approach to generate possible paths starting from ego-referenced car and based on it, two news strategies are proposed. First one, a new strategy to select the correct path to better avoid obstacles and tofollow the local task in the context of hybrid navigation, and second, a new closed loop control based on visual odometry and virtual tentacle is modeled to path-following execution. Finally, a complete automotive system integrating the perception, path-planning and control modules are implemented and experimentally validated in real situations using an experimental autonomous car, where the results show that the developed approach successfully performs a safe local navigation based on camera sensors.

Cette thèse présente une analyse de la consommation d'énergie des systèmes de contrôlecommande électriques des machines automatisées en vue de réduire leur consommation d'énergie. Il est notamment présenté les notions associées aux systèmes de contrôle-commande et il est développé des méthodes et un simulateur de consommation d'énergie destiné à l'analyse de la consommation d'énergie. A partir de ceci, il est réalisé une analyse selon 3 axes : consommation des composants de contrôlecommande pris individuellement, consommation des systèmes de contrôle-commande selon le type de machine et l'assemblage des composants et enfin, consommation dans le temps selon les modes de marche. Ces travaux mettent en évidence que la consommation des systèmes de contrôle-commande est souvent faible comparée à celle des actionneurs, mais qu'il est tout de même possible de réduire d'un facteur 2 la consommation d'énergie.

Le sujet de cette thèse s'inscrit dans le cadre des systèmes tolérants aux défauts sous contraintes avec prise en considération de la dégradation des performances. L'objectif principal de ce travail consiste à considérer la gestion des références comme une partie intégrante du système de commande tolérant aux défauts. Dans la littérature, la plupart des méthodes actives de tolérance aux défauts supposent que le recouvrement du système nominal est toujours possible et que les performances nominales sont toujours atteignables. Cette condition est peu réaliste dans la pratique puisque plusieurs éléments empêchent le système reconfiguré de revenir à son mode de fonctionnement nominal. Dans le domaine industriel, l'ensemble des contraintes du système est un handicap majeur qui limite le fonctionnement nominal d'un système à des plages fonctionnelles bien définies. Ces plages fonctionnelles sont énormément réduites après l'apparition de certains défauts dits sévères et qui affectent généralement les actionneurs. Par conséquent, cette hypothèse de recouvrement des performances nominales dans le cas des systèmes sous contraintes limite l'ensemble des défauts traités par ces méthodes classiques à quelques défauts dits mineurs. Afin de remédier a ce problème, une architecture de reconfiguration structurée en deux niveaux est proposée. Le premier concerne les algorithmes classiques de reconfiguration en agissant sur un contrôleur reconfigurable, et le deuxième agit sur le module de gestion des références conçu à base d'un gouverneur de référence avec offset. La connaissance exacte du modèle en post-défaut nécessite un système de détection et diagnostic de défaut qui permet d'estimer l'amplitude de défaut, ce qui conduit à la synthèse d'un observateur adaptatif d'estimation de défaut à base de LMI. Afin de synchroniser le déroulement du processus FTC, deux indices ont été conçus. Le premier indice porte sur le mécanisme de décision permettant de sélectionner le/les niveau(x) de reconfiguration nécessaire(s) à l'accommodation du défaut. Le deuxième indice permet d'évaluer le niveau de dégradation du système « post-défaut ». Une dégradation de performance est toujours admise tant que les consignes de sécurité sont respectées / The subject of this thesis is part of fault tolerant control systems under constraints with consideration of performance degradation. The main objective of this work is to consider the reference management as an integral part of the fault tolerant control system. In the literature, the most active methods of fault tolerance imply that recovery of the nominal system is always possible and that performance ratings are still achievable. This requirement is unrealistic in practice because several factors prevent the system reconfigured back to its nominal operating mode. In industry, the set of system constraints is a major problem which limits the nominal operating of the system to defined functional ranges. These functional ranges are reduced dramatically after the occurrence of some faults known as severe faults that generally affect the capacity of actuators. Therefore, this assumption of nominal performance recovery in the case of systems under constraints limits the set of faults treated with these conventional methods to a few minor faults. To remedy this problem, architecture of reconfiguration structured in two levels is proposed. The first level concerns the conventional reconfiguration algorithms acting on a reconfigurable controller, and the second acts on the module of reference management based on a reference-offset governor. The exact knowledge of the post-fault model requires a fault detection and diagnosis system to estimate the magnitude of fault, which led to the synthesis of an adaptive observer based LMI for estimating fault. To synchronize the FTC process flow, two indices have been designed. The first index refers to the decision mechanism for selecting the reconfiguration level required for the accommodation of the fault. The second index used to evaluate the level of the degradation of the system "post-fault". The performance degradation is still allowed as long as safety instructions are respected

Vu le développement important des micro-systèmes, leur utilisation sous forme de nappes dans les systèmes de commande-contrôle critiques est une vraie opportunité. Cela soulève néanmoins des défis, parmi lesquels, la définition d'un système de communication à haut niveau d'intégrité. <br />L'étude que nous avons effectuée sur des réseaux standard montre que les protections classiques à base de codes CRC ne permettent pas d'obtenir le niveau d'intégrité visé. <br />Pour l'atteindre, nous avons proposé une solution originale - fonction de contrôle évolutive - qui tire profit du fait que, pour les systèmes de commande-contrôle envisagés (systèmes à dynamique lente), l'intégrité est à considérer sur un lot de messages et non sur un seul message. La solution proposée a ensuite été validée via des simulations Matlab-Simulink. <br />Le cas d'étude utilisé est celui de systèmes de commande de vol du futur, en vue de pouvoir commander des nappes de milliers de micro-surfaces tels que des micro-spoilers.

<p>The use of drones, also called unmanned aerial vehicles (UAVs), is increasing every day. These aircraft are piloted either remotely by a human pilot or completely autonomously by an on-board computer. UAVs are typically equipped with a video camera providing a live video feed to the operator. While they were originally developed mainly for military purposes, many civil applications start to emerge as they become more affordable.<p><p><p>Micro air vehicles are a subgroup of UAVs with a size and weight limitation; many are designed also for indoor use. Designs with rotary wings are generally preferred over fixed wings as they can take off vertically and operate at low speeds or even hover. At small scales, designs with flapping wings are being explored to try to mimic the exceptional flight capabilities of birds and insects. <p><p><p>The objective of this thesis is to develop a control mechanism for a robotic hummingbird, a bio-inspired tail-less hovering flapping wing MAV. The mechanism should generate moments necessary for flight stabilization and steering by an independent control of flapping motion of each wing.<p><p><p>The theoretical part of this work uses a quasi-steady modelling approach to approximate the flapping wing aerodynamics. The model is linearised and further reduced to study the flight stability near hovering, identify the wing motion parameters suitable for control and finally design a flight controller. Validity of this approach is demonstrated by simulations with the original, non-linear mathematical model.<p><p><p>A robotic hummingbird prototype is developed in the second, practical part. Details are given on the flapping linkage mechanism and wing design, together with tests performed on a custom built force balance and with a high speed camera. Finally, two possible control mechanisms are proposed: the first one is based on wing twist modulation via wing root bars flexing; the second modulates the flapping amplitude and offset via flapping mechanism joint displacements. The performance of the control mechanism prototypes is demonstrated experimentally. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les systèmes de commande en réseau (SCR) sont de plus en plus répandus dans le milieu industriel. Ils procurent en effet de nombreux avantages en termes de coût, de flexibilité, de maintenance, etc. Cependant,l’introduction d’un réseau, qui par nature est composé de ressources partagées, impacte considérablement les performances temporelles des systèmes de commande. Un signal de commande par exemple n’arrive à destination qu’après un certain délai. Pour s’assurer que ce délai soit inférieur à un certain seuil de sécurité ou du respect d’autres contraintes temps réels de ces systèmes, une évaluation au préalable, avant la mise en service d’un SCR, s’avère donc nécessaire. Dans nos travaux de recherche, nous nous intéressons à la réactivité des SCR client/serveur et évaluons leur temps de réponse.Notre contribution dans ces travaux est d’adopter une approche analytique à base de l’algèbre (Max,+) et remédier aux problèmes des méthodes existantes comme l’explosion combinatoire de la vérification formelle ou de la non exhaustivité des approches par simulation. Après modélisation des SCR client/serveur à l’aide de Graphe d’Evénements Temporisés puis représentation de leurs dynamiques à l’aides d’équations (Max,+) linéaires, nous obtenons des formules de calcul direct du temps de réponse. Plus précisément, nous adoptons une analyse déterministe pour calculer les bornes, minimale et maximale, du temps de réponse puis une analyse stochastique pour calculer la fonction de sa distribution. De plus, nous prenons en compte dans nos travaux tous les délais élémentaires qui composent le temps de réponse, y compris les délais de bout-en-bout, dus à la traversée du seul réseau de communication. Ce dernier étant naturellement composé de ressources partagées, rendant l’utilisation des modèles (Max,+) classiques impossibles, nous introduisons une nouvelle approche de modélisation à base du formalisme (Max,+) mais prenant en compte le concept de conflit ou ressource partagée.L’exemple d’un réseau de type Ethernet est considéré pour évaluer ces délais de bout-en-bout. Par ailleurs, cette nouvelle méthode (Max,+) est assez générique et reste applicable à de nombreux systèmes impliquant des ressources partagées, au delà des seuls réseaux de communication. Enfin, pour vérifier la validité des résultats obtenus dans nos travaux, notamment la formule de la borne maximale du temps de réponse, une compagne de mesures expérimentales sont menées sur une plateforme dédiée. Différentes configurations et conditions de trafic dans un réseau Ethernet sont considérées. / Networked automation systems (NAS) are more and more used in industry, given the several advantages they provide like flexibility, low cost, ease of maintenance, etc. However, the use of a communication network in SCR means in essence sharing some resources and therefore strikingly impacts their time performances. For instance, a control signal does get to its destination (actuator) only after a non zero delay. So, to guarantee that such a delay is shorter than a given threshold or other time constraints well respected, an a priori evaluation is necessary before operating the SCR. In our research activities, we are interested in client/server SCR reactivity and the evaluation of their response time.Our contribution in this investigation is the introduction of a (Max,+) Algebra-based analytic approach to solve some problems, faced in the existing methods like state explosion of model checking or the non exhaustivity of simulation. So, after getting Timed Event Graphs based models of the SCR and their linear state (Max,+) representation, we obtain formulae that enables to calculate straightforwardly the SCR response times. More precisely, we obtain formulae of the bounds of response time by adopting a deterministic analysis and other formulae to calculate the probability density of response time by considering a stochastic analysis. Moreover, in our investigation we take into account every single elementary delay involved in the response time, including the end-to-end delays, due exclusively to crossing the communication network. This latter being however constituted of shared resources, making by the way the use of TEG and (Max,+) Algebra impossible, we introduce a novel approach to model the communication network. This approach brings to life a new class of Petri nets, called Conflicting Timed Event Graphs (CTEG), which enables us to solve the problem of the shared resources. We also manage to represent the CTEG dynamics using recurrent (Max,+) equations and therefore calculate the end to-end delays. An Ethernet-based network is studied as an example to apply this novel approach. Note by the way that the field of application of this approach borders largely communication networks and is quite possible when dealing with other systems.Finally, to validate the different results of our research activities and the related hypotheses, especially the maximal bound of response time formula, we carry out lots of experimental measurements on a lab facility. We compare the measures to the formula predictions and check their agreement under different conditions.

Dans les systèmes embarqués critiques, assurer la sûreté de fonctionnement est primordial du fait, à la fois, des exigences en sûreté dictées par les autorités de certification et des contraintes en sûreté de ces systèmes où des défaillances pourraient conduire à des évènements catastrophiques, voire la perte de vies humaines. Les architectures de ces systèmes sont aujourd'hui de plus en plus distribuées, s'appuyant sur des réseaux numériques complexes, ce qui pose la problématique de l'intégrité des communications. Dans ce contexte, nous proposons une approche bout en bout pour l'intégrité des communications, basée sur le concept du " canal noir " introduit par l'IEC 61508. Elle utilise les codes détecteurs d'erreurs CRC, Adler et Fletcher. Selon le niveau de redondance des systèmes, nous proposons une approche multi-codes (intégrité jugée sur un lot de messages) pour les systèmes dotés d'un niveau de redondance important et une approche mono-code (intégrité jugée sur chaque message) pour les autres cas. Nous avons validé ces propositions par des expérimentations évaluant le pouvoir de détection intrinsèque de chaque code détecteur et la complémentarité entre ces code en termes de pouvoir de détection, ainsi que leurs coûts de calcul avec une analyse de l'impact du type de leur implémentation et de l'environnement matériel (standard et embarqué : processeurs i7, STM32, TMS320C6657 et P2020). L'approche mono-code a été appliquée à un cas d'étude industriel : les futurs systèmes de commande de vol d'Airbus Helicopters. / In critical embedded systems, ensuring dependability is crucial given both dependability requirements imposed by certification authorities and dependability constraints of these systems where failures could lead to catastrophic events even loss of human lives. The architectures of these systems are increasingly distributed deploying complex digital networks which raise the issue of communication integrity. In this context, we propose an end to end approach for communication integrity. This approach is based on the "black channel" concept introduced by IEC 61508. It uses error detection codes particularly CRC, Adler and Fletcher. Depending on the redundancy level of targeted systems, we propose a multi-codes approach (integrity of a set of messages) for systems with an important redundancy level and a single- code approach (integrity per message) for the other cases. We validated our proposals through experiments in order to evaluate intrinsic error detection capability of each error detection code, their complementarity in terms of error detection and their computational costs by analyzing the impact of the type of implementation and the hardware environment (standard or embedded: i7, STM32, TMS320C6657 and P2020 processors). The single-code approach was applied to an industrial case study: future flight control systems of Airbus Helicopters.