Ce travail est dédié au contrôle non linéaire d'un drone de type quadricoptère dont la spécificité est de pouvoir voler aussi bien que se déplacer en glissant sur le sol, à la façon d'un aéroglisseur. Dans un contexte d'exploration autonome de bâtiment, ce concept hybride permet d'économiser les batteries lorsqu'il n'est pas nécessaire de voler puisque le drone profite des surfaces planes pour se déplacer sans avoir à compenser la gravité ; il peut ainsi prolonger l'autonomie au-delà de la vingtaine de minutes typique d'un quadricoptère classique. Contrairement aux véhicules terrestres à roues, les capacités de franchissement de notre drone sont fortement augmentées car son aptitude au vol l'autorise à éviter les obstacles, à changer d'étage ou passer par une fenêtre. L'étude menée ici concerne essentiellement le déplacement surfacique de ce drone hybride, et vise à concevoir et implémenter une loi de contrôle capable d'asservir ce système sur des trajectoires planes au sol. Ce drone terrestre est similaire à un système sous actionné de type glisseur ; le problème de la stabilisation en un point est donc distingué du suivi de trajectoire en raison de la condition de Brockett que ce système ne satisfait pas ; notre plateforme ne peut donc pas être stabilisée par des retours d'états continus. En s'appuyant sur la littérature, cette thèse propose différentes approches théoriques en temps variant, fonctions transverses, platitude ou encore par "Backstepping" pour répondre à ces problèmes. Après une phase d'identification du modèle dynamique employé, la partie expérimentale, exploitant un système de Motion Capture pour récupérer les informations de position et d'orientation du système, valide ces lois de contrôle et de commande pour le suivi d'une trajectoire circulaire simple. / This thesis is dedicated to the non-linear control of a special hybrid quadrotor which is able to fly, and slide on the ground like an hovercraft. In the context of an autonomous indoor exploration this hybrid concept allows saving energy when flying is not necessary, since the drone can then slide on the ground without having to compensate for the gravity; autonomy can last beyond the 20 minutes typical of a standard quadrotor. Contrarily to wheeled mobile robots, the hybrid drone ability to move across space is strongly increased since it can fly to avoid obstacles, to move between two levels, to get in through a window. The study under consideration is essentially focused on the displacement of the drone on the ground and aims at designing and implementing a control law so that our system is able to track a 2D xy plane trajectory. This terrestrial quadrotor is similar to a slider underactuated vehicle. The point stabilisation is then separately studied from the trajectory tracking issue because of the Brockett condition, which is not satisfied in that case; our platform cannot be stabilized by means of continuous state feedbacks. This thesis proposes different theoretical developments based on the literature and deriving from time varying control laws, transverse functions, flatness or backstepping techniques to solve both point stabilisation and trajectory tracking. The experimental part of the thesis is based on the recovering of the drone position in real time and orientation via a Motion Capture system for feedback loop in the control law; the proposed dynamical model was validated as well as the control and command laws for the tracking of a circular trajectory.

Ce travail présente une nouvelle approche basée sur l’étude de la stabilité du mouvement de systèmes continus, multivariables, non linéaires. Elle repose sur l’utilisation de la seconde méthode de Lyapunov pour le calcul d’une loi de commande de suivi de trajectoire d’un processus dont l’évolution est décrite par son équation d’état. Cette commande est réalisée à partir d’informations accessibles concernant le processus et son évolution désirée.Cette approche est étudiée dans le cas où cette commande n’est pas définie.Afin d’étudier la robustesse de cette commande, nous présentons une approche basée sur la stabilité des systèmes non linéaires par le calcul des systèmes majorants. Cette approche est appliquée sur les systèmes décrivant l’erreur entre le système perturbé réel présentant d’importantes imprécisions et/ou incertitudes et le modèle théorique / This work presents a new approach based on the study of the stability of motion of continuous, multivariable, nonlinear systems. It relies on the use of the second Lyapunov method for computing a control law trajectory tracking of a process whose evolution is described by the equation of state. This control is made from accessible information about the process and its desired evolution. This approach is studied in the case where the command is not defined. To investigate the robustness of this control, we present an approach based on the stability of nonlinear systems by calculating the overvaluing systems. This approach is applied to the systems describing the error between the actual perturbed system with significant inaccuracies and / or uncertainties and the theoretical model

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This dissertation advances tools for the certification of unmanned aircraft system (UAS) flight controllers. We develop two thrusts to this goal: (1) the validation and improvement of an uncertain UAS framework based on integral quadratic constraint (IQC) theory and (2) the development of novel IQC theorems which allow the analysis of uncertain systems having time-varying characteristics. Pertaining to the first thrust, this work improves and implements an IQC-based robustness analysis framework for UAS. The approach models the UAS using a linear fractional transformation on uncertainties and conducts robustness analysis on the uncertain system via IQC theory. By expressing the set of desired UAS flight paths with an uncertainty, the framework enables analysis of the uncertain UAS flying about any level path whose radius of curvature is bounded. To demonstrate the versatility of this technique, we use IQC analysis to tune trajectory-tracking and path-following controllers designed via H2 or H-infinity synthesis methods. IQC analysis is also used to tune path-following PID controllers. By employing a non-deterministic simulation environment and conducting numerous flight tests, we demonstrate the capability of the framework in predicting loss of control, comparing the robustness of different controllers, and tuning controllers. Finally, this work demonstrates that signal IQCs have an important role in obtaining IQC analysis results which are less conservative and more consistent with observations from flight test data. With regards to the second thrust, we prove a novel theorem which enables robustness analysis of uncertain systems where the nominal plant and the IQC multiplier are linear time-varying systems and the nominal plant may have a non-zero initial condition. When the nominal plant and the IQC multiplier are eventually periodic, robustness analysis can be accomplished by solving a finite-dimensional semidefinite program. Time-varying IQC multipliers are beneficial in analysis because they provide the possibility of reducing conservatism and are capable of expressing uncertainties that have unique time-domain characteristics. A number of time-varying IQC multipliers are introduced to better describe such uncertainties. The utility of this theorem is demonstrated with various examples, including one which produces bounds on the UAS position after an aggressive Split-S maneuver. / Doctor of Philosophy / This work develops tools to aid in the certification of unmanned aircraft system (UAS) flight controllers. The forthcoming results are founded on robust control theory, which allows the incorporation of a variety of uncertainties in the UAS mathematical model and provides tools to determine how robust the system is to these uncertainties. Such a foundation provides a complementary perspective to that obtained with simulations. Whereas simulation environments provide a probabilistic-type analysis and are oftentimes costly, the following results provide worst-case guarantees—for the allowable disturbances and uncertainties—and require far less computational resources. Here we take two approaches in our development of certification tools for UAS. First we validate and improve on an uncertain UAS framework that relies on integral quadratic constraint (IQC) theory to analyze the robustness of the UAS in the presence of uncertainties and disturbances. Our second approach develops novel IQC theorems that can aid in providing bounds on the UAS state during its flight trajectory. Though the applications in this dissertation are focused on UAS, the theory can be applied to a wide variety of physical and nonphysical problems wherein uncertainties in the mathematical model cannot be avoided.

Les multiples applications liées aux systèmes multi-agents en réseau, tels que les satellites en formation, les oscillateurs couplés, les véhicules aériens sans pilote, entre autres, ont été, sans aucun doute, une motivation majeure dans le développement de cette thèse, qui est consacrée à l’étude du consensus de systèmes dynamiques et à la commande en formation de robots mobiles non holonomes. Dans le contexte du consensus, nous étudions la topologie en anneau avec de liens de communication variant dans le temps. Notamment, la communication peut être perdue pendant de longs intervalles de temps. Nous donnons de conditions suffisantes pour le consensus qui restent simples à vérifier, par exemple, en utilisant le théorème du petite gain. En suite, nous abordons le problème de consensus en supposant que la topologie de communication est variable. Nous établissons que le consensus est atteint à condition qu’il existe toujours un chemin de communication du type « spanning-tree » pendant un temps de séjour minimal. L'analyse s'appuie sur la théorie de stabilité des systèmes variant dans le temps et les systèmes à commutation. Dans le contexte de la commande en formation de véhicules autonomes nous adressons le problème de commande en suivi de trajectoire sur ligne droite en suivant une approche type maître-esclave. Nous montrons que le suivi global peut être obtenu à partir d’un contrôleur qui possède la propriété d’excitation persistante. En gros, le mécanisme de stabilisation dépend de l’excitation du système par une quantité qui est proportionnelle à l’erreur de suivi. Ensuite, la méthode est utilisée pour résoudre le problème de suivi de formation de plusieurs véhicules interconnectés sur la base d’une topologie « spanning-tree ». Nous donnons des conditions de stabilité concernant les modèles cinématique et dynamique, en utilisant la seconde méthode de Lyapunov. / The multiple applications related to networked multi-agent systems such as satellite formation flying, coupled oscillators, air traffic control, unmanned air vehicles, cooperative transport, among others, has been undoubtedly a watershed for the development of this thesis. The study of cooperative control of multi-agent systems is of great interest for his extensive field work and applications. This thesis is devoted to the study of consensus seeking of multi-agents systems and trajectory tracking of nonholonomic mobile robots.In the context of consensus seeking, first we study a ring topology of dynamic agents with time-dependent communication links which may disconnect for long intervals of time. Simple checkable conditions are obtained by using small-gain theorem to guarantee the achievement of consensus. Then, we deal with a network of dynamic agents with time-dependent communication links interconnected over a time-varying topology. We establish that consensus is reached provided that there always exists a « spanning-tree » for a minimal dwell-time by using stability theory of time-varying and switched systems. In the context of trajectory tracking, we investigate a simple leader-follower tracking controller for autonomous vehicles following straight lines. We show that global tracking may be achieved by a controller which has a property of persistency of excitation tailored for nonlinear systems. Roughly speaking the stabilisation mechanism relies on exciting the system by an amount that is proportional to the tracking error. Moreover, the method is used to solve the problem of formation tracking of multiple vehicles interconnected on the basis of a « spanning-tree » topology. We derive stability conditions for the kinematic and dynamic model by using a Lyapunov approach.

L’estimation de trajectoires de débris spatiaux pendant la rentrée atmosphérique est un défi majeur pour les prochaines années, renforcé par plusieurs projets liés à l'enlèvement de débris établis par plusieurs agences spatiales. Cependant, ce problème s’avère complexe du fait des erreurs de modèle et des difficultés d’initialisation des algorithmes d’estimation induites par une mauvaise connaissance de la dynamique des débris suite à leur désintégration pendant la phase de rentrée atmosphérique. Tout estimateur choisi doit donc être robuste vis-à-vis de ces facteurs. L’estimateur à horizon glissant (MHE) est reconnu dans la littérature pour être robuste vis-à-vis d’erreurs de modèle et de mauvaise initialisation, et les travaux de thèse ont montré qu’il était adapté en termes de performances à la problématique de l’estimation des débris en phase de rentrée. En revanche, il se fonde sur une stratégie d’optimisation qui requiert de fait un temps de calcul important. Pour pallier ce problème, une nouvelle structure d’estimation à horizon glissant a été développée, impliquant un temps de calcul faible nécessaire à l’application envisagée. Cette stratégie, appelée « estimateur à horizon glissant avec pré-estimation (MHE-PE)», prend en compte les erreurs de modèle via un estimateur auxiliaire, plutôt que de chercher à obtenir les estimées du bruit d’état sur l’horizon d’estimation, comme le fait la structure de l’estimateur MHE standard. Un théorème garantissant la stabilité de la dynamique de l’erreur d’estimation du MHE-PE a par ailleurs été proposé. Enfin, les performances de cette structure dans le cadre de l’estimation en trois dimensions des trajectoires de débris pendant la phase de rentrée se sont avérées meilleures que celles observées avec des estimateurs classiques. En particulier, sans dégrader la précision et la convergence de l’estimation, l’estimateur MHE-PE requiert moins de temps de calcul du fait du nombre réduit de paramètres à optimiser. / Space debris tracking during atmospheric re-entries will be a crucial challenge in the coming years, emphasized through many projects on space debris mitigation established by space agencies worldwide. However, this problem appears to be complex, due to model errors and difficulties to properly initialize the estimation algorithms, as a result of unknown dynamics of the debris and their disintegrations during the re-entries. A-to-be used estimator for this problem must be robust against these factors. The Moving Horizon Estimator (MHE) is known in the literature to be robust to model errors and bad initialization, and the PhD work has proved its ability to satisfy performances required by the debris tracking during the re-entries. However, its optimization-based framework induces a large computation time. To overcome this, a new MHE structure which requires smaller computation time than the classical MHE has been developed. This strategy, so-called “Moving Horizon Estimator with Pre-Estimation (MHE-PE)” takes into account model errors by using an auxiliary estimator rather than by searching for estimates of the process noise sequence over the horizon as in the classical strategy. A theorem which guarantees the stability of the dynamics of the estimation errors of the MHE-PE has also been proposed. Finally, performances of this structure in the context of 3D space debris tracking during the re-entries have been shown to be better than those obtained with classical estimators including the MHE. In particular, without degrading accuracy of the estimates and convergence of the estimator, the MHE-PE estimator requires smaller computation time than the MHE thanks to its small number of optimization variables.

Cette thèse se situe dans la planification et le suivi de mouvement d’un humanoïde mobile à deux bras. Premièrement, MDH est utilisé pour la modélisation cinématique. Afin de surmonter les insuffisances de la méthode d’Euler-Lagrange qui nécessitent des calculs d’énergie et ses dérivées partielles, la méthode de Kane est utilisée. En plus, la stabilité physique est analysée et un contrôleur est conçu. Deuxièmement, un algorithme avancée MaxiMin NSGA-II est proposée pour concevoir l’orientation et la position optimales de la plate-forme mobile (PB) et la configuration optimale du manipulateur supérieur (MS) étant donnée uniquement la pose initiale et les positions et orientations souhaitées des EEs. Un algorithme à connexion directe combinant BiRRT et la gradient-descente est conçu pour réaliser la transition de la pose initiale à la pose optimale, et une méthode d'optimisation géométrique est conçue pour optimiser et cohérer le chemin. En outre, les motions en avant sont obtenues en attribuant des orientations pour MB indiquant ainsi l'intention du robot. Afin de résoudre le problème d'échec de l’algorithme hors ligne, un algorithme en ligne est proposé en estimant les motions des obstacles dynamiques. De plus, afin d'optimiser les via-poses, un algorithme basé sur les via-points des EEs et MOGA est proposé en optimisant quatre fonctions objectives. Enfin, le problème de suivi de motion est étudié étant donné les motions des EEs dans l'espace de tâche. Au lieu de contrôler la motion absolue, deux motions relatives sont introduites pour réaliser la coordination et la coopération entre MB et MS. De plus, une technique mWLN est proposée pour éviter les limites des joints. / This thesis focuses on the motion planning and tracking of a dual-arm mobile humanoid. First, MDH is used for kinematic modeling. The co-simulation via Simulink-Adams on prototype is realized to validate the effectiveness of RBFNN controller. In order to overcome the shortcomings of Euler-Lagrange’s formulations that require calculating energy and energy derivatives, Kane’s method is used. In addition, physical stability is analyzed based on Kane’s method and a controller is designed using back-stepping technique. Secondly, an improved MaxiMin NSGA-II is proposed to design the mobile base’s (MB) optimal position-orientation and the upper manipulator’s (UM) optimal configuration given only the initial pose and end-effectors’ (EEs) desired positions-orientations. A direct connect algorithm combining BiRRT and gradient-descent is designed to plan the transition from initial pose to optimal pose, and a geometric optimization method is designed to optimize and cohere the path. In addition, forward motions are obtained by assigning orientations for MB thus indicating robot’s intention. In order to solve the failure problem of offline algorithm, an online algorithm is proposed while estimating dynamic obstacles’ motions. In addition, in order to optimize via-poses, an algorithm based on EEs’ via-points and MOGA is proposed by optimizing four via-pose-based objective functions. Finally, the motion tracking problem is studied given EEs’ motions in the task space. Instead of controlling the absolute motion, two relative motions are introduced to realize the coordination and cooperation between MB and UM. In addition, an modulated WLN technique is proposed to avoid joints’ limits.

Dans cette thèse nous adressons le problème de commande des véhicules marins sous-actionnés. La motivation clé de ce sujet de recherche vient du fait qui les systèmes sous-actionnés posent des défis aussi bien théoriques et pratiques pour l'ingénieur automaticien. En fait, ces systèmes ne peuvent pas être stabilisés par des commandes lisses invariantes dans le temps. De plus, en dépit du nombre de méthodes disponibles pour la commande des systèmes mécaniques sous-actionnés, peu ont adressé des points pratiques importantes tels que l'inclusion explicite de dynamique dans la formulation de problème de commande et le besoin de faire face aux perturbations environnementales résultants des courants des vagues, par exemple. Cette thèse attaque certains de ces problèmes, formule et résout les problèmes de commande de positionnement dynamique, de la poursuite de trajectoire et du suivie de chemin des véhicules marins sous-actionnés. La première partie de cette thèse (Chapitres 3 et 4) constituent les éléments théoriques fondamentaux pour l'analyse du modèle et la synthèse des commandes pour les véhicules marins sous-actionnés. Particulièrement, nous montrons au chapitre 3 que le modèle de véhicule marin sous-actionné ne satisfait pas la condition de nécessaire Brockett pour la stabilisation des systèmes nonlinéaires par actions continues et invariantes dans le temps. Cependant, Il sera montré qu'il est possible d'atteindre la stabilisation en utilisant une commande discontinue ou variable dans le temps. Le chapitre 4 consiste à appliquer des résultats récents sur les systèmes cascades nonlinéaires pour résoudre le problème de déterminer des lois de commande qui stabilisent à l'origine la position et l'orientation d vaisseau sous-actionnés. Deux transformations sont introduites pour représenter le système dans une forme de cascade. Par quelques propriétés du modèle, nous montrons en premier que la stabilisation globale et asymptotique du système se réduit a stabiliser une forme en chaîne de troisième ordre. Une approche discontinue par backstepping est ensuite employée pour la stabilisation du système de forme en chaîne via un retour d'état partiel. Nous montrons que la loi de commande proposée stabilise exponentiellement le modèle réduit dans un ensemble défini, assurant le stabilisation asymptotique, local et uniforme du modèle de vaisseau marin sous-actionné. Pour assurer la stabilité uniforme globale cependant, un backstepping et le temps combinés variant l'approche de contrôle est donc employée. Prochain, nous exploitons la structure de cascade pour construire une trajectoire convenable produite par les équations dynamiques d'un véritable sous-actionnés bateau. Nous montrons ensuite que la stabilisation globale peut être assurée par une par une combinaison de la commande par backstepping et une commande variable dans le temps. Ensuite nous abordons le problème de poursuite de trajectoire. Dans lequel la trajectoire de référence est générée par un navire sous-actionné virtuel. Nous montrons ensuite qu'il existe une commande qui force exponentiellement le navire à la poursuite de la trajectoire partant d'une condition initiale quelconque. Utilisant une approche des Systems cascades, nous montrons que la dynamique de l'erreur de poursuite peut être vue comme une cascade d'un système linéaire et d'un système en chaine de deuxième ordre. La deuxième partie de cette thèse (Chapitre 5, 6 et 7) est consacrée au problème de la manoeuvre du vaisseau sous-actionné le long d'un chemin désiré avec une dynamique prescrite. La conception de la loi de commande est abordée par deux approches. La première vient d'une observation qu'il est plausible en pratique de manoeuvrer le véhicule tel qu'il soit sur son chemin de référence est que sa vitesse totale soit tangente au chemin. Il sera aussi supposé que le véhicule voyage le long du chemin avec une vitesse directe constante. La seconde approche ne conditionne pas la vitesse directe pour être constante. Dans le Chapitre 5, nous exploitons l'approche abordée pour le suivi de chemin pour résoudre le problème de coordinations d'un groupe de véhicules marins. Il est objet de manoeuvrer le mouvement de chaque véhicule tel que le mouvement du groupe est prescrit par un comportement désiré. Ainsi, le mouvement indépendant est coordonné comme une formation selon le comportement désirée. Dans ce chapitre nous considérerons le problème de formation ou plusieurs véhicules sont synchronisés de manière qu'ils soient commandés comme une formation de structure virtuelle. Le chapitre 6, est dévouée au problème général de la commande par retour de sortie pour la stabilisation globale des véhicules marins sous-actionnés. Une application de tel observateur est ensuite faite au problème de la poursuite de trajectoire d'un vaisseau sous-actionné.

Compte tenu de la forte croissance du trafic aérien aussi bien dans les pays émergents que dans les pays développés soutenue durant ces dernières décennies, la satisfaction des exigences relatives à la sécurité et à l'environnement nécessite le développement de nouveaux systèmes de guidage. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la synthèse d'une nouvelle génération de lois de guidage pour les avions de transport présentant de meilleures performances en terme de suivi de trajectoire. Il s'agit en particulier d'évaluer la faisabilité et les performances d'un système de guidage utilisant un référentiel spatial. Avant de présenter les principales approches utilisées pour le développement de lois de commande pour les systèmes de pilotage et de guidage automatiques et la génération de directives de guidage par le système de gestion du vol, la dynamique du vol d'un avion de transport est modélisée en prenant en compte d'une manière explicite les composantes du vent. Ensuite, l'intérêt de l'application de la commande adaptative dans le domaine de la conduite automatique du vol est discuté et une loi de commande adaptative pour le suivi de pente est proposée. Les principales techniques de commande non linéaires reconnues d'intérêt pour le suivi de trajectoire sont alors analysées. Finalement, une loi de commande référencée dans l'espace pour le guidage vertical d'un avion de transport est développée et est comparée avec l'approche temporelle classique. L'objectif est de réduire les erreurs de poursuite et mieux répondre aux contraintes de temps de passage en certains points de l'espace ainsi qu'à une possible contrainte de temps d'arrivée.

This thesis deals with a system for tracking the trajectory of the moving object. Further, also for obtaining additional motion data and other information. Thesis focuses on flying objects. There are described all system components and way of their communication. Next, the progress of the expansion unit for measuring by the BeagleBone Black platform. Also there is described testing that took place during aerobatic gliders races, including the demonstrations of recording data and their processing.