La thèse traite des problématiques de contrôle/commande liées aux groupes motopropulseurs complexes moyennant une approche de commande prédictive unifiée implémentable en temps réel grâce à une approche de contrôle paramétrique. L'étude concerne deux groupes motopropulseurs : un groupe motopropulseur hybride léger équipé d'une transmission manuelle robotisée, et un groupe motopropulseur fortement downsizé équipé d'une transmission manuelle. Dans la première application le contrôle pilote totalement la dynamique du groupe motopropulseur (moteur et transmission) en assurant une transparence vis-à-vis de la demande du conducteur. Par contre dans la seconde application, équipé d'une transmission manuelle, le contrôle assiste le conducteur en assurent un contrôle avancé du moteur en pilotant le couple thermique. Dans le cadre de la thèse, un modèle phénoménologique du couple embrayage a été mis également au point pour les besoins de la commande.

Ce mémoire concerne la construction et l'analyse d'estimateurs robustes pour le calcul numérique des dérivés de signaux bruités et des paramètres de signaux sinusoïdaux bruités. Ces estimateurs, originalement introduits par Fliess, Mboup et Sira Ramirez, sont actuellement étudiés au sein de l'équipe projet NON-A de l'INRIA Lille Nord Europe. Pour une classe d'entre eux, nous les obtenons à partir de la réécriture dans le domaine opérationnel de Laplace des équations différentielles linéaires des signaux analysés. Par des manipulations algébriques simples dans l'anneau R(s)[d/ds] des polynômes différentiels en d/ds à coefficients rationnels en la variable opérationnelle s, nous montrons que ces estimateurs sont non-asymptotiques et que les estimations numériques obtenues, même en présence de bruits, sont robustes pour un faible nombre d'échantillons des signaux. Nous montrons, de plus, que ces propriétés sont vérifiées pour une large classe de type de bruits. Ces estimateurs exprimés dans le domaine temporel s'écrivent en général via des fractions d'intégrales itérées des signaux analysés. Dans la première partie du mémoire, nous étudions des familles d'estimateurs de dérivées obtenus par ces méthodes algébriques. Nous montrons que pour une classe d'entre eux, il est possible de les formuler directement en tronquant une série orthogonale de polynômes de Jacobi. Cette considération nous permet alors d'étendre à IR le domaine de définition des paramètres de ces estimateurs. Nous analysons ensuite l'influence de ces paramètres étendus sur l'erreur de troncature, qui produit un retard d'estimation dans le cas causal, puis sur l'erreur due aux bruits, considérés comme des processus stochastiques, et enfin sur l'erreur numérique de discrétisation des intégrales. Ainsi, nous montrons comment réduire le retard d'estimation et l'effet du aux bruits. Une validation de cette approche est réalisée par la construction d'un observateur non asymptotique de variables d'état d'un système non linéaire. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous construisons par cette approche algébrique des estimateurs des paramètres d'un signal sinusoïdal bruité dont l'amplitude varie avec le temps. Nous montrons que les méthodes classiques de fonctions modulatrices sont un cas particulier de cette approche. Nous étudions ensuite l'influence des paramètres algébriques sur l'erreur d'estimation due au bruit et l'erreur numérique d'intégration. Des majorations de ces erreurs sont données pour une classe d'estimateurs. Finalement, une comparaison entre ces estimateurs et la méthode classique de détection synchrone est réalisée pour démontrer l'efficacité de notre approche sur ce type de signaux.

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent l'étude du diagnostic de défauts simples et multiples pour des systèmes dynamiques continus et consistent à développer une stratégie de diagnostic globale pour la gestion des modes de fonctionnement en situations normale et anormale. Nous avons d'abord développé un nouveau formalisme graphique de modélisation des systèmes dynamiques émanant des BG et que nous avons appelé le BGS. Ce formalisme est très aisément interprétable grâce à un certain nombre de propriétés et de définitions que nous avons établies. L'élaboration d'un tel formalisme permet de faire appel aux propriétés structurelles et causales du BG et d'élargir leur champ d'étude pour inclure le raisonnement qualitatif. Nous avons ensuite proposé un modèle générique permettant d'intégrer les modèles Génériques de Composants (MGC) fonctionnels et les modèles BGS pour la gestion, par un automate ni, des modes de fonctionnement et des conditions de reconfiguration d'un système autonome. En fin, nous avons proposé une méthode de diagnostic des défauts simples et multiples en utilisant une approche par abduction basée sur l'étude de la propagation de défauts sur le BGS à partir des observations. La méthodologie proposée est validée par deux systèmes de complexités différentes et en l'occurrence une pile à combustible à membrane échangeuse de protons et un système électromécanique d'un véhicule électrique.

Les développements récents de la robotique et des technologies d'imagerie médicale pré- et per-opératoires ont permis de réaliser des progrès considérables dans l'assistance aux gestes médicaux et chirurgicaux. Ces progrès, qui associent également de nouvelles techniques, permettent d'envisager de nouvelles formes d'interventions chirurgicales, de moins en moins invasives et de plus en plus sûres, mais aussi de prévoir une meilleure planification de ces interventions. Je présente dans ce mémoire les activités de recherches scientifiques dont le thème principal est le guidage d'instruments de chirurgie par vision, activités menées à la fois dans l'équipe Automatique, Vision et Robotique (AVR) du LSIIT (UMR CNRS-ULP 7005) et également en collaboration avec d'autres acteurs de la recherche au sein du consortium Imagerie et Robotique Médicale et Chirurgicale (IRMC), à Strasbourg, en particulier avec ceux de l'Institut de Recherche contre les Cancers de l'Appareil Digestif (IRCAD). Plus généralement, les activités présentées ainsi que leur synthèse, seront concentrées autour de la perception visuelle de scènes dynamiques, et inclueront : - le recalage et le positionnement 3-D à partir de plusieurs types de dispositifs d'imagerie, - la vision active, l'endoscopie active, - les asservissements visuels en robotique, - la segmentation d'indices visuels géométriques dans des environnements non maîtrisés, en temps réel, pour des objets d'intérêt marqués et non marqués. Pour résumer la part essentielle de ces travaux, le problème de l'estimation de pose et plus généralement du recalage 2-D/3-D rigide sera donc abordé en empruntant plusieurs approches et différentes représentations, en fonction du contexte. Que ce soit à partir du filtre estimateur de Kalman avec des primitives géométriques non-linéaires, ou à partir des invariants projectifs avec des spots lasers et des marqueurs optiques, ou encore par une approche d'optimisation numérique basée sur les asservissements visuels virtuels et combinant des primitives géométriques différentes, de la modélisation des quadriques dégénérées pour la pose des instruments cylindriques, ou finalement qu'il s'agisse du recalage stéréotaxique par une estimation robuste avec des primitives linéaires, le recalage 2-D/3-D rigide sera exposé, pour plusieurs types de dispositifs d'imagerie (caméra classique, caméra endoscopique, scanner à rayons X). Des applications telles que la commande de robot par vision laparoscopique, l'assistance informatique et robotique de la suture ou encore le positionnement automatique d'aiguille de radio-fréquence en radiologie interventionnelle viendront illustrer et animer cet exposé. Le guidage 3-D sera également décrit par l'approche du suivi visuel pouvant être mis en oeuvre dans un environnement complexe (sous quelques hypothèses) sans passer par une étape de recalage, en tenant compte des contraintes de mouvements inhérentes à la chirurgie laparoscopique. Il permet d'effectuer, dans ce cas, un positionnement relatif d'un instrument ou d'un endoscope et offre une assistance au chirurgien, par exemple, par le suivi automatique d'une surface des organes de l'abdomen à l'aide d'un endoscope articulé ou la récupération d'instruments. La présentation se poursuivra par un bilan et finira par l'exposé de perspectives suggérant des orientations de recherches dans ce domaine fortement multidisciplinaire, en particulier, dans la gestion des tâches visuelles en vision robotique, dans une meilleure compréhension des déformations des tissus vivants ainsi que de leurs interactions avec les instruments de chirurgie, ou encore dans l'apport de la vision active codée à l'endoscopie rigide et flexible.

Le but de ce travail est d'analyser des scènes sous-marines naturelles et en particulier cartographier des environnements sous-marins en 3D. Il existe aujourd'hui de nombreuses techniques pour résoudre ce problème. L'originalité de ce travail se trouve dans la fusion de deux cartes obtenues avec des capteurs de différentes résolutions.Dans un premier temps, un engin autonome (ou un bateau) analyse les fonds marins avec un sonar multifaisceaux et crée une première carte globale de la zone. Cette carte est ensuite décomposée en petites cellules représentant une mosaïque du fond marin. Une deuxième analyse est ensuite réalisée sur certaines cellules particulières à l'aide d'un second capteur avec une résolution plus élevée. Cela permettra d'obtenir une carte détaillée 3D de la cellule. Un véhicule autonome sous-marin ou un plongeur muni d'un système de vision stéréoscopique effectuera cette acquisition. Ce projet se décompose en deux parties, la première s'intéressera à la reconstruction 3D de scènes sous-marines en milieu contraint à l'aide d'une paire stéréoscopique. La deuxième partie de l'étude portera sur l'aspect multimodal. Dans notre cas, nous utilisons cette méthode pour obtenir des reconstructions précises d'objets d'intérêts archéologiques (statues, amphores, etc.) détectés sur la carte globale. La première partie du travail concerne la reconstruction3D de la scène sous-marine.Même si aujourd'hui le monde de la vision a permis de mieux appréhender ce type d'image, l'étude de scène sous-marine naturelle pose encore de nombreux problèmes. Nous avons pris en compte les bruits sous-marins lors de la création du modèle 3D vidéo ainsi que lors de la calibration des appareils photos. Une étude de robustesse à ces bruits a été réalisée sur deux méthodes de détections et d'appariements de points d'intérêt. Cela a permis d'obtenir des points caractéristiques précis et robustes pour le modèle 3D. La géométrie épipolaire nous a permis de projeter ces points en 3D. La texture a été ajoutée sur les surfaces obtenues par triangulation de Delaunay. La deuxième partie consiste à fusionner le modèle 3D obtenu précédemment et la carte acoustique. Dans un premier temps, afin d'aligner les deux modèles 3D (le modèle vidéo et le modèle acoustique), nous appliquons un recalage approximatif en sélectionnant manuellement quelques paires de points équivalents sur les deux nuages de points. Pour augmenter la précision de ce dernier, nous utilisons un algorithme ICP (Iterative Closest Points). Dans ce travail nous avons créé une carte 3D sous-marine multimodale réalisée à l'aide de modèles 3D " vidéo " et d'une carte acoustique globale.

En automatique, l'obtention d'un modèle du système est la pierre angulaire des procédures comme la synthèse d'une commande, la détection des défaillances, la prédiction... Cette thèse traite de l'identification d'une classe de systèmes complexes, les systèmes dynamiques hybrides. Ces systèmes impliquent l'interaction de comportements continus et discrets. Le but est de construire un modèle à partir de mesures expérimentales d'entrée et de sortie. Une nouvelle approche pour l'identification de systèmes hybrides linéaires basée sur les propriétés géométriques des systèmes hybrides dans l'espace des paramètres est proposée. Un nouvel algorithme est ensuite proposé pour le calcul de la solution la plus parcimonieuse (ou creuse) de systèmes d'équations linéaires sous-déterminés. Celui-ci permet d'améliorer une approche d'identification basée sur l'optimisation de la parcimonie du vecteur d'erreur. De plus, de nouvelles approches, basées sur des modèles à noyaux, sont proposées pour l'identification de systèmes hybrides non linéaires et de systèmes lisses par morceaux.

La localisation d'un véhicule via les techniques de SLAM (Simultaneous Localization And Mapping pour cartographie et localisation simultanées) a connu un essor important durant les 20 dernières années. Pourtant, peu d'approches ont tenté d'étendre ces algorithmes à une flotte de véhicules malgré les nombreuses applications potentielles. C'est ici l'objectif de cette thèse. Pour ce faire, une approche de SLAM monoculaire pour un seul véhicule a d'abord été développée. Celle-ci propose de coupler un filtre de Kalman étendu avec une représentation cartésienne des amers afin de produire des cartes de faible densité mais de qualité. En effet, l'extension à plusieurs véhicules nécessite des échanges permanents par l'intermédiaire de communications sans fil. Avec peu d'amers dans les cartes, notre approche s'accommode bien du nombre de véhicules de la flotte. Des capteurs peu onéreux ont aussi été privilégiés (une unique caméra et un odomètre) afin de réduire le coût d'une extension multivéhicule. Des correctifs ont été proposés afin d'éviter les problèmes de divergence induits par les choix précédents. Des expérimentations ont montré que la solution de SLAM produite était légère et rapide tout en fournissant une localisation de qualité. La dérive, inhérente à tout algorithme de SLAM, a également fait l'objet d'une analyse. Celle-ci a été intégrée au SLAM par l'intermédiaire d'une architecture dédiée et d'un modèle dynamique. Le but est de pouvoir rendre consistante la localisation fournie par le SLAM, même en l'absence d'estimation de la dérive. Cela permet d'effectuer des fermetures de boucle ou encore d'intégrer des informations géo-référencées de manière naturelle tout en conservant l'intégrité de la solution. En multivéhicule, cet aspect est un point clef puisque chaque véhicule dérive différemment des autres. Il est donc important de le prendre en compte. Enfin, le SLAM a été étendu à plusieurs véhicules. Une structure générique a été prévue afin que notre approche monoculaire puisse être remplacée par n'importe quel algorithme de SLAM. Notre architecture décentralisée évite la consanguinité des données (le fait de compter deux fois une même information) et gère les défaillances réseau, que cela soit des ruptures de communication ou encore des latences dans la réception des données. La partie statique du modèle de dérive permet également de prendre en compte le fait que les positions initiales des véhicules d'une flotte puissent être inconnues. L'intégrité est ainsi maintenue en permanence. Enfin, notre approche étant entièrement décentralisée, elle a pu être testée et validée en simulation et avec des expérimentations réelles dans diverses configurations (convoi en colonne ou en ligne, avec 2 ou 3 véhicules).

Ce travail est focalisé sur le problème de la construction autonome du modèle 3D d'un objet inconnu en utilisant un robot humanoïde. Plus particulièrement, nous considérons un HRP-2 guidé par la vision au sein d'un environnement connu qui peut contenir des obstacles. Notre méthode considère les informations visuelles disponibles, les contraintes sur le corps du robot ainsi que le modèle de l'environnement dans le but de générer des postures adéquates et les mouvements nécessaires autour de l'objet. Le problème de sélection de vue ("Next-Best-View") est abordé en se basant sur un générateur de postures qui calcule une configuration par la résolution d'un problème d'optimisation. Une première solution est une approche locale où un algorithme de rendu original à été conçu afin d'être inclut directement dans le générateur de postures. Une deuxième solution augmente la robustesse aux minimums locaux en décomposant le problème en 2 étapes: (i) trouver la pose du capteur tout en satisfaisant un ensemble de contraintes réduit, et (ii) calculer la configuration complète du robot avec le générateur de posture. La première étape repose sur des méthodes d'optimisation globale et locale (BOBYQA) afin de converger vers des points de vue pertinents dans des espaces de configuration admissibles non convexes. Notre approche est testée en conditions réelles par le biais d'une architecture cohérente qui inclus différents composants logiciels spécifique à l'usage d'un humanoïde. Ces expériences intègrent des travaux de recherche en cours en planification de mouvements, contrôle de mouvements et traitement d'image, qui pourront permettre de construire de façon autonome le modèle 3D d'un objet.

Ce travail de thèse a pour objet l'étude de modèles markoviens qui résultent de la prise en compte d'incertitudes dans des systèmes possédant une dynamique hybride : entrées bruitées, dynamique mal connue, ou évènements aléatoires par exemple. De tels modèles, parfois qualifiés de Systèmes Hybrides Stochastiques (SHS), sont utilisés principalement en automatique et en recherche opérationnelle.<br /><br />Nous introduisons dans la première partie du mémoire la notion de processus diffusif par morceaux, qui fournit un cadre théorique général qui unifie les différentes classes de modèles "hybrides" connues dans la littérature. Différents aspects de ces modèles sont alors envisagés, depuis leur construction mathématique (traitée grâce au théorème de renaissance pour les processus de Markov) jusqu'à l'étude de leur générateur étendu, en passant par le phénomène de Zénon.<br /><br />La deuxième partie du mémoire s'intéresse plus particulièrement à la question de la "propagation de l'incertitude", c'est-à-dire à la manière dont évolue la loi marginale de l'état au cours du temps. L'équation de Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) usuelle est généralisée à diverses classes de processus diffusifs par morceaux, en particulier grâce aux notions d'intensité moyenne de sauts et de courant de probabilité. Ces résultats sont illustrés par deux exemples de modèles multidimensionnels, pour lesquels une résolution numérique de l'équation de FPK généralisée a été effectuée grâce à une discrétisation en volumes finis. La comparaison avec des méthodes de type Monte-Carlo est également discutée à partir de ces deux exemples.

Si l'utilisation d'un véhicule autonome présente un intérêt certain, l'utilisation simultanée de plusieurs robots, potentiellement différents permet d'améliorer la qualité des acquisitions et la rapidité avec lesquelles elles sont effectuées. Le déploiement de plateformes multi-capteurs sous-entend donc qu'il est nécessaire de mettre en œuvre une commande et une stratégie de commande coordonnée de la formation. Les difficultés de localisation et de communication rendent d'emblée la tâche difficile. Dès lors, il n'est plus concevable de mettre en œuvre une flottille d'engins autonomes sans avoir testé au préalable la faisabilité de la mission, le comportement logico-temporel du contrôleur des engins, l'efficacité des algorithmes employés et le bon fonctionnement de tous les sous-systèmes. Ceci est d'autant plus vrai lorsque les engins sont hétérogènes, proviennent d'organisations ou d'institutions différentes et sont rassemblés pour l'accomplissement d'une mission commune.<br />La complexité des architectures de contrôle d'une part et les difficultés soulevées par le choix de stratégies de contrôle multi-véhicules d'autre part, rendent nécessaires la création de nouveaux outils de simulation permettant de tester et valider lois de commande et architectures de contrôle tout en détectant les inconsistances préliminaires des scenarios envisagés. L'objet de cette thèse est donc l'étude d'un outil de simulation collaboratif appelé THETIS.<br />Il s'agit d'un simulateur conçu avant tout pour aborder les problèmes liés au contexte de la flottille. Il est multi-véhicules hétérogènes puisqu'il permet de simuler par exemple, un scenario dans lequel un AUV (Autonomous Underwater Vehicle) et un ASV (Autonomous Surface Vehicle) interviennent simultanément. Les véhicules peuvent communiquer entre eux au sein de la simulation et les contraintes liées au milieu de propagation (interférences, bande passante, atténuation...) d'une part et à l'utilisation de matériel spécifique (temps de réveil, conflit émission/réception...) d'autre part sont prises en compte. L'architecture du simulateur est ouverte pour faciliter l'intégration et la mise à disposition pour tous, du travail de modélisation des différentes équipes possédant des compétences propres, tout en favorisant la réutilisabilité et la modularité de ces modèles. La capacité du système proposé à réaliser des simulations Hardware-In-The-Loop permet de tester et valider le comportement temporel du contrôleur. Par ailleurs ce simulateur est distribué afin de pouvoir étendre dynamiquement la puissance de calcul nécessitée par l'augmentation du nombre de véhicules et/ou la complexification des modèles, tout en respectant les contraintes temps-réel et le découplage temporel entre la commande et l'évolution des modèles dynamiques.<br />THETIS est donc un des seuls outils à l'heure actuelle répondant aux contraintes liées au contexte de la simulation de robots marins en flottille. Nous présentons des tests préliminaires mettant en œuvre un AUV de classe Taipan (développée au LIRMM en France) d'une part et un ASV Charlie (développé par l'ISSIA en Italie) d'autre part qui possèdent des architectures de contrôle différentes, et démontrons ainsi la faisabilité et la validité de notre approche.