L'objet de la robotique autonome est d'éliminer l'intervention du concepteur humain dans le fonctionnement d'un robot en environnement "complexe". Or, la programmation traditionnelle d'un robot repose sur l'utilisation de modèles dont le domaine de validité est assez restreint. Quand on sort du domaine de validité, on tombe sur le problème de l'imprévu, objet de cette thèse. Nous affirmons d'abord que l'autonomie d'un robot ne peut être obtenue sans une gestion systématique de l'imprévu, et que les approches habituelles de la robotique (hiérarchiques, comportementales, adaptatives) ne sont pas adéquates pour aborder cette question dans des environnements naturels non précisement controlés. Nous proposons alors trois pistes pour contourner ces limites. Sur le plan théorique, nous défendons la nécessité d'une reconnaissance explicite par un robot de sa propre ignorance, et donc d'une gestion systématique de l'incertitude, et adoptons pour cela une théorie de la logique probabiliste (Jaynes 1995). Sur le plan méthodologique, nous complétons le tandem conception-adaptation par une démarche incrémentale, i.e. la systématisation d'une évolution structurelle en réponse à certains imprévus. Nous mettons ainsi l'accent sur l'origine et la génèse des représentations plus que sur leurs performances. Sur le plan conceptuel, enfin, nous proposons la notion de "représentation contingente", qui définit une représentation non par sa fonction mais par sa structure : la capacité de représentation est intrinsèque à cette structure, mais son interprétation effective est contingente au contexte. Les problèmes liés à la représentation classique avaient conduit certains auteurs à rejeter la notion même de représentation, et avec elle un guide de conception incontournable. La représentation contingente est une tentative permettant d'aborder le problème de la conception au sein d'approches non encore exploitées en IA, telles que la clotûre opérationnelle.

L'objet de cette thèse est l'étude et la mise en oeuvre d'un système de gestion automatique de la configuration d'une formation d'avions sans pilote, ou drones. Les objectifs sont, d'une part, d'améliorer la sécurité et l'efficacité d'un groupe de drones de combat, et, d'autre part, de faire le lien entre les niveaux de planification de missions et les niveaux fonctionnels de contrôle de la formation. Le vol en formation est particulièrement bien adapté pour des applications militaires en milieux hostiles, qui requièrent des synchronisations pour l'arrivée sur les cibles ou du support mutuel pour le brouillage. L'une des difficultés soulevées est le choix autonome de la configuration. Notre approche est de mettre en oeuvre, entre les niveaux décisionnels et les niveaux fonctionnels, une couche intermédiaire dédiée à la formation et à la gestion autonome de sa configuration. La configuration ainsi déterminée doit être affectée aux avions de la formation en tenant compte des contraintes tactiques et des ressources de chacun. Enfin, la sécurité du vol est un élément primordial. Il faut donc pouvoir planifier des manoeuvres de reconfiguration pour passer d'une configuration à une autre, en respectant les distances minimales entres avions. Des solutions ont été développées à partir de l'algorithme Branch & Bound pour résoudre les problèmes d'allocations, et de l'algorithme A* pour la planification de trajectoires dans la formation. De plus, un contrôle de vol de la formation a été implémenté. Ceci a permis de valider notre approche par des simulations et des expérimentations réelles.

Le travail présenté dans ce mémoire propose une contribution à la planification et au contrôle d'exécution de missions pour un robot mobile autonome, en environnement structuré, dynamique et partiellement connu: il porte sur l'étude et la réalisation d'un système de supervision pour robot mobile. Ce superviseur, qui se trouve au sommet d'une hiérarchie de processus de perception et de commande du robot, a pour rôle de planifier la mission spécifiée par un opérateur et d'en contrôler l'exécution tout en assurant le dialogue entre l'opérateur et le robot. Nous proposons d'abord un langage permettant, à un opérateur non informaticien, de spécifier des missions avec des contraintes pouvant porter soit sur la mission elle même (coûts en durée, énergie, risque, distance, localisation) soit sur l'environnement (accessibilité variable dans le temps, possibilités de recharge ou de relocalisation). La planification s'énonce alors comme un problème de recherche d'un chemin optimal contraint dans un graphe. Pour la résolution de ce problème nous introduisons la notion de chemin efficace appliquée à un nouvel algorithme de recherche heuristique pour résoudre le problème des contraintes multiples. La détermination des chemins efficaces repose sur une représentation d'état adaptée aux contraintes sur l'environnement. Les caractéristiques de complexité de cet algorithme de planification sont comparées à celles de l'algorithme A*. L'exécution de la mission doit assurer l'activation et la supervision des processus chargés d'accomplir les tâches planifiées. L'architecture de contrôle du robot défini une décomposition hiérarchique du contrôle entre le niveau réactif qui réalise les actions et le superviseur qui évalue si le comportement produit satisfait les contraintes. L'évaluation mise en œuvre permet une réponse échelonnée au problème d'échec d'exécution. L'organisation du superviseur en modules asynchrones tient compte de la non prédictibilité des temps de planification, de sorte que le suivi d'exécution et la recherche de plans alternatifs s'exécutent sans pénaliser la réactivité du système. L'ensemble de ces problèmes nous a amené à réaliser d'une part, une interface homme-machine évoluée et d'autre part, un système de supervision en OPS5. Le fonctionnement cyclique, en chaînage avant, de ce système de production assure une bonne réactivité pour le contrôle des processus temps-réel et pour le dialogue avec un opérateur

Cette thèse explore la thématique des microsystèmes autonomes, notamment la problématique de leur alimentation en énergie. Jusqu'à présent, l'énergie nécessaire pour faire fonctionner ces dispositifs était fournie par une source finie, par exemple une batterie électrochimique. Cela implique, qu'après un certain temps, le réservoir doit être rempli, sinon le dispositif cesse de fonctionner. De plus, un compromis doit être fait entre la taille et la durée de vie du système. L'objectif de ce travail est d'étudier la possibilité d'alimenter de tels systèmes à partir de l'énergie des vibrations mécaniques ambiantes. Nous nous sommes focalisés sur la miniaturisation du dispositif de récupération d'énergie, et sur la possibilité de son élaboration en employant les techniques de micro fabrication et les couches minces piézoélectriques. L'utilisation d'un dispositif de type MEMS permettrait de créer des systèmes autonomes sur une seule puce (SoC) où dans un boîtier (SoP). Au cours de cette thèse nous avons créé des modèles analytiques et par éléments finis des structures de générateurs piézoélectriques. Nous avons conçu et fabriqué les dispositifs en utilisant deux matériaux piézoélectriques : le nitrure d'aluminium (AlN) et le zirconate titanate de plomb (PZT). Nous avons démontré que de telles structures peuvent fournir une puissance de l'ordre de quelques microwatts. De plus, avec des circuits spécifiques de gestion de puissance elles permettent de charger des dispositifs de stockage à partir des vibrations d'une très faible amplitude. Les dispositifs présentés sont pour le moment les seuls microgénérateurs piézoélectriques au monde adaptés aux vibrations ambiantes. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet VIBES (VIBration Energy Scavenging) qui est un STREP du sixième programme cadre de l'Union Européenne (IST-1-STREP-507911).

L'administration de la sécurité dans les réseaux sans infrastructures est assez complexe pour être réalisée efficacement par des êtres-humains. Notre objectif est de la rendre autonome. Dans ce cadre, cette thèse propose un système autonome de contrôle d'accès. On fixe la définition d'un réseau autonome, et certaines bases de la sécurité autonome. Ensuite, on définit un type de réseau autonome, organisationnel et sans infrastructure, et on l'appelle iorg-autonet. Les nœuds d'un iorg-autonet sont catégorises en termes de fiabilité, disponibilité et capacités, ce qui leur permet d'acquérir différents rôles, dont certains donnent droit a coopérer avec d'autres nœuds pour gérer le réseau. On définit pour les iorg-autonets un modèle de contrôle d'accès base sur les relations sécurisées, et on l'appelle srbac. Ses politiques sont a appliquer quand deux nœuds, déjà relies par une relation sécurisée leur spécifiant des rôles, se communiquent. Le modèle srbac est une version développée et adaptée du modèle rbac. On propose aussi une extension du profile rbac du langage xacml v2.0 pour la spécification des politiques srbac. On définit pour srbac le modèle administratif associe asrbac pour parvenir a notre système autonome de contrôle d'accès. Le modèle asrbac est une extension du modèle administratif distribue arbac02 qui est associe au modèle rbac. Cette extension rajoute des aspects contextuels, cognitifs, adaptatifs, coopératifs et autonomes. Asrbac est base sur srbac lui-même, ce qui représente la base du comportement autonome dans notre solution. Un exemple d'un système srbac/asrbac d'un réseau domestique et un modèle de réalisation valident et matérialisent nos contributions.

Augmenter la durée de vie d'une pile, voire s'en passer est aujourd'hui devenu une obligation pour les microsystèmes. En effet, à cette échelle, le remplacement des piles et leur rejet dans l'environnement sont problématiques. La voie préconisée pour répondre à cet enjeu est d'utiliser des sources d'énergie renouvelables (solaire, thermique et mécanique). Pour cela, nous proposons de développer une plateforme de récupération d'énergie multi-sources/multi-charges (MANAGY) capable de s'adapter à son environnement pour en extraire le maximum d'énergie et répondre à des applications diverses. L'architecture est constituée de chemins directs et de chemins indirects où l'énergie provenant des sources est d'abord transférée dans une unité de stockage avant d'être réutilisée par les charges du microsystème. L'utilisation de cette nouvelle architecture permet d'optimiser le transfert d'énergie entre sources et charges et améliore le rendement du système de 33%. Avant de développer une architecture multi-sources, nous avons cherché à améliorer le rendement de la source photovoltaïque (PV) qui, au vu de l'état de l'art, a la densité de puissance la plus élevée. La recherche du rendement maximum de la source PV revient à la recherche du point de puissance maximum (MPPT). Il existe pour chaque condition d'irradiance, de température, et d'énergie extraites un couple tension-courant permettant à la source de fournir un maximum de puissance (MPP). Grâce à l'utilisation de deux chemins de puissance, nous arrivons simultanément à créer une boucle de régulation faible puissance agissant sur le rapport cyclique du système de gestion d'énergie (MPPT) et une boucle de régulation de la tension de sortie agissant sur le transfert de l'énergie. La modélisation du système nous a permis de spécifier ses performances. Pour atteindre les performances requises, des architectures innovantes ont été réalisées qui ont fait l'objet de trois brevets. De plus, des blocs ne sont activés qu'aux instants de changement d'état du système et sont conçus, quand cela a été possible, avec des transistors fonctionnant en mode faible inversion. Toutes ces optimisations permettent au système de fonctionner sur une large plage de variation de l'éclairement (de conditions intérieures supérieures à 500 lux à extérieures) avec un rendement proche de 90%.

Les travaux de cette thèse se placent dans le cadre de la robotique mobile terrestre. Un prototype innovant de robot à géométrie variable capable de franchir divers obstacles (escaliers, trottoirs...) est présenté et analysé. Le retour d'expérience nous donne des pistes pour évoluer vers un robot autonome. L'étude de la déformation d'un robot muni de n degrés de liberté est présentée et formalisée comme un problème de satisfaction de contraintes. L'objectif est d'actionner les articulations du robot tout en conservant la tension de la chenille qui transmet l'effort des moteurs de propulsion. Des outils d'analyse par intervalles sont utilisés pour proposer une solution. Un autre aspect du contrôle d'un robot à géométrie variable est ensuite étudié pour fournir une méthode autonome de déformation lors de phases de franchissement d'obstacles. Un réseau de neurones est entraîné via un algorithme génétique dans le but de franchir un escalier. Le prototype existant nous permet de valider expérimentalement ces résultats.

Le thème de la « navigation bas-coût », caractérisé par le transfert de performance des capteurs vers les algorithmes de fusion de données et de commande, est un thème central dans de nombreuses applications militaires liées en particulier aux besoins nouveaux des troupes légères. L'utilisation de capteurs inertiels ou magnétométriques type MEMS et de GPS civils (notamment), optimise les critères d'encombrement, de masse et de consommation. Mais elle requiert, en compensation des performances relativement médiocres des capteurs, des algorithmes de guidage-navigation-pilotage spécifiques aux applications considérées. Dans ce mémoire, nous considérons trois scénarios d'utilisation et exposons des techniques innovantes pour la localisation et le contrôle. Nous considérons d'abord le cas d'un robot terrestre équipé de capteurs de proximité, d'un gyroscope, d'odomètres et d'un GPS. Nous implémentons expérimentalement avec succès un algorithme d'évitement d'obstacles dont nous établissons une preuve de convergence, ainsi qu'un algorithme de planification de trajectoires hors ligne dont nous utilisons les résultats en temps réel pour réaliser, via un estimateur non linéaire, un bouclage par retour dynamique. Nous étudions ensuite le cas du vol autonome d'une plate-forme aérienne instable de type hélicoptère. Nous développons et implémentons, à bord sur un système de mesure et de calcul temps-réel de notre conception, un estimateur d'état incluant un modèle de la dynamique du vol de l'engin, recalé par les capteurs inertiels, barométriques, et GPS ainsi qu'un bouclage par retour d'état. En utilisant les résultats de filtrage sur les vols effectués, les paramètres du modèle sont précisément identifiés : la qualité et la robustesse de l'estimation obtenues grâce au modèle permettent de réaliser un vol stationnaire autonome en extérieur. Enfin nous considérons le problème d'un piéton évoluant à l'intérieur de bâtiments. Les erreurs d'estimation du cap lors de l'utilisation des différentes plate-formes (terrestre comme aérienne) nous guident vers une utilisation nouvelle du champ magnétique par l'inspection de ses gradients. Par une technique que nous exposons, nous montrons comment utiliser les perturbations (inconnues) du champ magnétique pour améliorer considérablement l'estimation de position d'une centrale inertielle bas-coût au point qu'elle devienne un instrument de localisation.

La plupart des systèmes robotiques sont équipés de capteurs sophistiqués censés leur donner la capacité de « voir » et en conséquence de comprendre l'environnement dans lequel ils évoluent. Cependant, la quantité impressionnante d'information que ces capteurs collectent régulièrement n'est réellement mise à profit que si le robot qui en est possède la capacité de les traiter correctement. Depuis plusieurs décennies, une grande variété d'algorithmes de perception a été proposée à cet effet. Il est donc déjà possible d'assembler des algorithmes bien connus de détection, de pistage, de classification, de cartographie et de localisation pour concevoir des systèmes de perception complets capables d'opérer pour une application donnée, dans la plupart des situations. Malheureusement, un certain nombre d'applications concrètes exigent des systèmes de perception qui font bien mieux que de fonctionner la plupart du temps. Un véhicule automatique (sans conducteur) évoluant dans un centre ville ne pourra par exemple se satisfaire que d'un système de perception qui fonctionne dans toutes les situations. Ce mémoire de thèse trait précisément de fiabilité inhérente aux systèmes de perception actuels lorsqu'ils sont confrontés à des environnements complexes et changeants. Une analyse détaillée des causes de ce manque de fiabilité est d'abord proposée. Nous proposons et d'écrivons ensuite une approche nouvelle du problème de perception basée sur une formulation unifiée de ses cinq problèmes sous-jacents (détection, pistage, classification, cartographie et localisation). Nous montrons ainsi que cette approche permet de contourner naturellement les difficultés qui bornent les performances de la plupart des systèmes existants. La pertinence de l'analyse présentée dans ce document ainsi que la validité expérimentale des solutions proposées sont évaluées au travers d'une comparaison concrète entre deux systèmes de perception originaux conçus pour « percevoir» des piétons en environnement urbain.

Cette thèse porte sur la navigation sans collision d'un véhicule aérien à décollage et atterrissage vertical en environnement inconnu ou incertain. L'utilisation du flot optique, inspirée du monde animal, permet d'obtenir des informations sur la vitesse du véhicule et sur la proximité des obstacles. Deux contributions sont présentées dans ce travail. La première aborde l'atterrissage automatique sur une plateforme statique ou mobile. La manœuvre se décompose en deux tâches : la stabilisation de la vitesse au-dessus de la cible, puis l'atterrissage vertical. L'approche montre que la régulation du flot optique divergent autour d'une consigne constante permet un atterrissage en douceur et sans collision malgré les incertitudes sur la dynamique de la plateforme et du véhicule. La deuxième contribution concerne le suivi de terrain avec évitement d'obstacles. L'approche générale proposée permet d'aborder différentes applications telles que l'évitement d'obstacles frontaux, le suivi de terrain pentu, le suivi de couloir, etc. L'analyse de stabilité évalue la robustesse et les limites du contrôleur en présence de diverses incertitudes telles que les incertitudes sur la géométrie de l'environnement. L'ensemble des algorithmes de commande est simulé et expérimenté sur un mini-drone quadrirotor développé au CEA LIST.