L'asservissement visuel est devenu une approche classique dans le cadre de la commande de robots exploitant les informations fournies par un capteur de vision dans une boucle de com- mande. La recherche décrite dans cette thèse vise à résoudre des problèmes d'asservissement et à améliorer la capacité de gérer plus efficacement les tâches supplémentaires. Cette thèse présente tout d'abord l'état de l'art en asservissement visuel, redondance et évitement des butées articulaires. Elle propose ensuite les contributions suivantes: Un schéma de commande est obtenu en introduisant un paramètre de comportement dans un contrôle hybride. Il permet un meilleur comportement du système lorsque des valeurs appropriées du paramètre sont sélectionnées. Une étude analytique des lois de commandes les plus courantes et de la nouvelle loi proposée est effectuée dans le cas de mouvements de translation et de rotation selon l'axe optique. De nouveaux schémas de commande sont également proposés pour améliorer le comportement du système lorsque la configuration désirée est singulière. Les contributions théoriques concernant le formalisme de la redondance reposent sur l'élabor- ation d'un opérateur de projection obtenu en ne considérant que la norme de la tâche princi- pale. Cela conduit à un problème moins contraint et permet d'élargir le domaine d'application. De nouvelles stratégies d'évitement des butées articulaires du robot fondées sur la redon- dance sont développées. Le problème d'ajouter des tâches secondaires à la tâche principale, tout en assurant l'évitement des butées articulaires, est également résolu. Tous ces travaux ont été validés par des expérimentations dans le cadre d'applications d'asserv- issement visuel.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire concerne l'étude et le développement de méthodes de linéarisation, d'estimation d'état et de commande pour les systèmes complexes. Le chapitre 1 est consacré au concept et à la classification des systèmes hybrides. L'origine et à la nature des Systèmes à Fonctionnement par Morceaux (SFM) se situent dans ce contexte. Le chapitre 2 traite des contrôleurs de poursuite et de la linéarisation des systèmes réels. Les chapitres 3 et 4, quant à eux, visent à réaliser la poursuite d'une trajectoire à partir d'un retour issu d'un capteur numérique délivrant une information sous forme retardée et échantillonnée. Dans le chapitre 3, un observateur continu par morceaux basé sur la théorie des SFM et sur l'observateur de Luenberger est développé. Le chapitre 4 présente une commande de stabilisation de pendule inversé (2D ou 3D) utilisant deux boucles de retour. A chaque instant d'échantillonnage du capteur, la commande agit dans le plan du pendule, ce qui permet de transformer le problème 3D en un problème 2D. Par rapport aux autres méthodes, les méthodes présentées ont l'avantage d'assurer la stabilité sans utiliser un modèle linéarisé. Dans ce mémoire, chaque méthode proposée est fournie avec des exemples de simulation et d'implantation temps réel. / This research work deals with the study and the development of the linearization, state estimation and complex systems' control. Chapter 1 is devoted to the concept and classification of hybrid systems and to the origin and nature of the piecewise functioning systems (PFS). Thus, based on the PFS, chapter 2 proposes controllers for trajectories tracking and linearization of the real time plans. Chapters 3 and 4 aim at realizing the trajectory tracking or stabilization control in the case where the available feedback cornes from a digital sensor delivering the plant's output in a delayed and sampled format. ln chapter 3 a piecewise continuous observer which is essentially based on PFS theory and on dis crete Luenberger observer is developed. ln chapter 4, a stabilization control of a 2D or 3D inverted pendulum by using two feedbacks is proposed. At each sensor's sampling period, the control acts in the pendulum's balancing plan, which makes it possible to transform the 3D problem into a 2D one. Compared to other methods, the referred methods guarantee the stability without being based on a linearized model. ln this thesis, all proposed methods are illustrated with examples of simulation and real-time implementations.

Les travaux proposés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre des projets ANR-Cam-Relief et du CPER-CREATIS soutenus par l’Agence Nationale de la Recherche, la région Champagne-Ardenne et le FEDER. Ces études s'inscrivent également dans le cadre d’une collaboration avec la société 3DTV-Solutions et deux groupes du CReSTIC (AUTO et SIC). L’objectif de ce projet est ,entre autre, de concevoir par analogie aux systèmes 2D grands publics actuels, des systèmes de prise de vue 3D permettant de restituer sur écrans reliefs (auto-stéréoscopiques) visibles sans lunettes, des images 3D de qualité. Notre intérêt s’est porté particulièrement sur les systèmes de prise de vue à configuration parallèle et décentrée. Les travaux de recherche menés dans cette thèse sont motivés par l’incapacité des configurations statiques de ces systèmes de prise de vue de capturer correctement des scènes dynamiques réelles pour une restitution autostéréoscopique correcte. Pour surmonter cet obstacle, un schéma d’adaptation de laconfiguration géométrique du système de prise de vue est proposé. Afin de déterminer les paramètres devant être concernés par cette adaptation, une étude de l’effet de la constance de chaque paramètre sur la qualité du rendu relief est menée. Les répercussions des contraintes dynamiques et mécaniques sur le relief restitué sont ensuite examinées. La précision de positionnement des paramètres structurels est abordée à travers la proposition de deux méthodes d’évaluation de la qualité du rendu relief, pour déterminer les seuils d’erreur de positionnement des paramètres structurels du système de prise de vue. Enfin, le problème de la calibration est abordée, où l’on propose une méthode basée sur la méthode de transformation linéaire directe DLT, et des perspectives sont envisagées pour l’asservissement de ces systèmes de prise de vue par asservissement classique ou par asservissement visuel. / The works proposed in this thesis are part of the projects ANR-Cam-Relief and CPER-CREATIS supported by the National Agency of Research, the Champagne-Ardenne region and the FEDER.These studies also join within the framework of a collaboration with the 3DTV-Solutions society and two groups of the CReSTIC (AUTO and SIC).The objective of this project is, among others, to design by analogy to the current 2D popularized systems, 3D shooting systems allowing to display on 3D screens (auto-stereoscopic) visible without glasses, 3D quality images. Our interest has focused particularly on shooting systems with parallel and decentred configuration. There search works led in this thesis are motivated by the inability of the static configurations of these shooting systems to capture correctly real dynamic scenes for a correct auto-stereoscopic endering. To overcome this drawback, an adaptation scheme of the geometrical configuration of the shooting system is proposed. To determine the parameters to be affected by this adaptation,the effect of the constancy of each parameter on the rendering quality is studied. The repercussions of the dynamic and mechanical constraints on the 3D rendering are then examined. Positioning accuracy of the structural parameters is approached through two methods proposed for the rendering quality assessment, to determine the thresholds of positioning error of the structural parameters of the shooting system. Finally, the problem of calibration is discussed where we propose an approach based on the DLT method, and perspectives are envisaged to automatic control of these shooting systems by classical approaches or by visual servoing.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont pour but d'apporter des solutions pour le contrôle par asservissement visuel d'une sonde manipulée par un système robotique. Les applications envisagées sont à la fois des tâches de positionnement sur une section désirée d'un organe ou des tâches de suivi pour la stabilisation active d'une vue échographique. Deux approches sont proposées dans cette optique. Une première approche est basée sur des primitives visuelles géométriques extraites depuis trois plans orthogonaux. Le choix de ces primitives assure un large domaine de convergence de la commande et un bon comportement de la tâche de positionnement. Néanmoins la limitation de la méthode est liée à l'extraction des primitives géométriques qui nécessite une étape préalable de segmentation rendue difficile par la faible qualité des images échographiques. Une seconde approche est alors envisagée où les informations visuelles considérées sont directement les intensités des pixels de l'image échographique. L'interaction de ces primitives avec le mouvement de la sonde est modélisée et introduite dans la loi de commande pour contrôler tous les mouvements de la sonde. Cette méthode permet d' éviter tout traitement d'image et de considérer un large éventail d'images anatomiques. Des expériences sur un bras robotique valident le bon comportement de la méthode pour des tâches de suivi.

Pas de disponible

Cette étude s'inscrit dans le cadre de l'asservissement visuel. La technique d'asservissement visuel consiste à utiliser les informations visuelles fournies par un capteur de vision pour commander les mouvements d'un système dynamique. Un des défis de cette technique est de s'approcher d'un comportement idéal du robot commandé, par exemple une trajectoire satisfaisante. Aujourd'hui, il est bien établi que l'élargissement du champ de vision et surtout le choix d'informations visuelles adéquates ont une incidence positive sur le comportement du robot. Si l'élargissement du champ de vision d'un robot est possible aujourd'hui par l'utilisation des systèmes de vision catadioptrique (couplage caméra et miroir), la sélection d'informations visuelles adéquates reste encore un problème ouvert puisque peu de travaux de modélisation ont été menés sur des systèmes à large champ de vision. Cette étude vise à modéliser des informations visuelles idéales. L'approche proposée est la modélisation par projection sphérique puisque ce modèle de projection est au centre des modèles de projection perspective et catadioptrique. Des résultats significatifs sont présentés pour un objet plan ou volumétrique défini par un ensemble de points et pour des objets volumétriques sphériques tels qu'une sphère et une sphère marquée. Pour chaque objet, un nouveau vecteur minimal d'informations visuelles idéales est proposé. La validation expérimentale de chaque nouveau vecteur montre un comportement adéquat du robot

non éditable

Résumé non disponible

Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de l’asservissement visuel d’un éclairage opératoire. Il s’agit d’une thèse CIFRE soutenue par l’entreprise MAQUET SAS et en collaboration avec le Laboratoire PRISME de l’Université d’Orléans. Les éclairages opératoires offrent à l’équipe chirurgicale des conditions d’éclairement suffisantes pour leur permettre d’accomplir leurs gestes. Leur positionnement est difficile en cours d’intervention et engendre fréquemment des heurts entre les membres de l’équipe. Les solutions déjà développées pour résoudre ce problème ne donnent pas satisfaction en raison de l’interaction forte entre le système et l’équipe chirurgicale. Nous proposons dans cette étude un éclairage opératoire asservi visuellement ne nécessitant pas d’information explicite, et opérationnel quel que soit le type de chirurgie. Il s’agit d’un système "intelligent" autrement dit capable de désigner de lui-même la zone où éclairer et "autonome", c’est-à-dire apte à se déplacer seul une fois les coordonnées de la cible connues. Ces deux points constituent la problématique de cette étude. Pour rendre "intelligent" l’éclairage opératoire, nous proposons un processus de désignation basé sur la reconnaissance d’objets spécifiques : le sang, la peau, les champs stériles et les instruments. Pour ce faire nous utilisons une fusion des attributs forme, couleur et mouvement basée sur le cadre crédibiliste. Nous résolvons les problèmes d’inhomogénéité de l’image dus à la puissance de l’éclairement par l’ajout d’une étape de fusion intermédiaire. Une fois l’ensemble des objets reconnus, nous procédons à la désignation de la zone à éclairer à l’aide de la théorie de la décision. L’autonomie du système est quant à elle assurée par une boucle d’asservissement visuel 2D, qui permet de faire converger l’éclairage vers la zone précédemment désignée. Nous avons réalisé au cours de cette étude un prototype quia permis de valider l’approche dans des conditions réelles. / The work presented in this manuscript is related to the visual servoing of a surgical light. This is a collaborative study between MAQUET SAS and PRISM laboratory (University of Orléans). Surgical light provides the surgical team enough lighting to perform their activities. The positioning of this equipment during the operation is arduous and leads frequently to disagreement between members of the team. Solutions already developed to solve this problem do not offer satisfaction in reason of the high interaction between the system and the team. This work aims to propose a surgical light visually served which do not require explicit information and which is operational whatever the kind of surgery. It consists in an "intelligent" system able to designate by itself the region where the surgeon is working on, and which is also "autonomous", that is to say the system can move to this target. These two points correspond to the problematic of this study. To make the operating light "intelligent" we propose an architecture based on the recognition of specific objects : blood, skin, steriled field, instruments. To achieve this we fuse shape, color and movement attributes. We solve the inhomogeneity problem of images due to high illumination thanks to an intermediate fusion step. Once all the objects are recognized we carry out the designation thanks to the decision theory. The "autonomous" part of the system consists in a 2D visual servoing loop that makes possible the convergence of the surgical light to the region of interest. A prototype has been realized during this work, which enabled us to validate the proposed approach in a real environment.

Cette thèse présente une méthode de navigation par asservissement visuel à l'aide d'une mémoire d'images. Le processus de navigation est issu d'informations d'images 2D sans utiliser aucune connaissance 3D. L'environnement est représenté par un ensemble d'images de référence avec chevauchements, qui sont automatiquement sélectionnés au cours d'une phase d'apprentissage préalable. Ces images de référence définissent le chemin à suivre au cours de la navigation. La commutation des images de référence au cours de la navigation est faite en comparant l'image acquise avec les images de référence à proximité. Basé sur les images actuelles et deux images de référence suivantes, la vitesse de rotation d'un robot mobile est calculée en vertu d'une loi du commandé par asservissement visuel basé image. Tout d'abord, nous avons utilisé l'image entière comme caractéristique, où l'information mutuelle entre les images de référence et la vue actuelle est exploitée. Ensuite, nous avons utilisé des segments de droite pour la navigation en intérieur, où nous avons montré que ces segments sont de meilleurs caractéristiques en environnement intérieur structuré. Enfin, nous avons combiné les segments de droite avec des points pour augmenter l'application de la méthode à une large gamme de scénarios d'intérieur pour des mouvements sans heurt. La navigation en temps réel avec un robot mobile équipé d'une caméra perspective embarquée a été réalisée. Les résultats obtenus confirment la viabilité de notre approche et vérifient qu'une cartographie et une localisation précise ne sont pas nécessaire pour une navigation intérieure utile. / This thesis presents a method for appearance-based navigation from an image memory by Image-Based Visual Servoing (IBVS). The entire navigation process is based on 2D image information without using any 3D information at all. The environment is represented by a set of reference images with overlapping landmarks, which are selected automatically during a prior learning phase. These reference images define the path to follow during the navigation. The switching of reference images during navigation is done by comparing the current acquired image with nearby reference images. Based on the current image and two succeeding key images, the rotational velocity of a mobile robot is computed under IBVS control law. First, we have used the entire image as a fea-ture, where mutual information between reference images and the current view is exploited. Then, we have used line segments for the indoor navigation, where we have shown that line segments are better features for the structured indoor environment. Finally, we combined line segments with point-based features for increasing the application of the method to a wide range of indoor scenarios with smooth motion. Real-time navigation with a Pioneer 3DX equipped with an on-board perspective camera has been performed in indoor environment. The obtained results confirm the viability of our approach and verify that accurate mapping and localization are not mandatory for a useful indoor navigation.