Dans cette thèse, nous étudions le problème de l'identification d'un système à dynamique linéaire. Dans un premier temps, nous répertorions les différentes méthodes qui ont été développées dans la littérature en nous concentrant plus particulièrement sur les méthodes des observateurs adaptatifs. Dans un second temps nous présentons un premier algorithme qui est une approche mixant les méthodes des sous-espaces et celles des observateurs adaptatifs. Ce nouvel algorithme est d'autant plus intéressant qu'il nous permet d'identifier des réalisations de systèmes MIMO dans une base d'état arbitraire. La convergence de cet algorithme est démontrée en utilisant les notions d'excitation persistantes. Dans un troisième chapitre nous introduisons une nouvelle méthode qui s'appuie sur le concept des observateurs de Luenberger non linéaires développés ces dernières années. Ce nouvel algorithme se différencie des algorithmes existants par sa capacité à produire une estimation simultanée des paramètres et de l'état du système. Nous démontrons alors sa robustesse à des perturbations affectant la dynamique interne ou les mesures. La convergence de cet algorithme est obtenue si les entrées du système satisfont une hypothèse d'excitation différentielle. Tous ces algorithmes sont alors évalués et implémentés sur un banc d'expérimentation / In this thesis, we study the problem of identification of a linear dynamical system. First, we survey various methods that have been developed in the literature. We focus more particularly on methods named adaptive observers. Secondly we present an approach which combines subspace identification methods and adaptive observers. This new method is interesting since it allows us to identify MIMO systems in an arbitrary basis. The convergence of this algorithm is demonstrated using the persistent excitation notions. In the third chapter we introduce a new method that is inspired from nonlinear Luenberger observers developed in recent years. This new algorithm is different from the existing algorithms since the parameters and the systemstatus are estimated simultaneously. We demonstrate the robustness of this approach. The convergence of the algorithm is obtained if the system inputs satisfy a differential excitation hypothesis. All these algorithms are evaluated and implemented on an experimental bench

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Teleoperation systems have been used in the operating rooms for more than a decade. However, the lack of force feedback in commercially available systems still raises safety issues and forbids surgical gestures like palpation. Although force feedback has already been implemented in experimental setups, a systematic methodology is still lacking to design the control laws.<p><p>The approach developed in this thesis is a contribution towards such a systematic<p>methodology: it combines the use of disturbance observers with the use of a structured fixed-order controller. This approach is validated by experiments performed on a one degree of freedom teleoperation system. A physical model of this system is proposed and validated experimentally.<p><p>Disturbance observers allow to compensate friction, which is responsible for performance degradation in teleoperation. Contrary to alternative approaches,they are based on a model of the frictionless mechanical system. This allows to compensate friction with a time varying behavior, which occurs in laparoscopy.<p><p>Parametric uncertainties in this model may lead to an unstable closed-loop. A kind of "separation principle" is provided to decouple the design of the closed-loop system from the design of the observer. It relies on a modified problem statement and on the use of available robust design and analysis tools.<p><p>A new metric is proposed to evaluate the performance of friction compensation systems experimentally. This metric evaluates the ability of a compensation system to linearize a motion system, irrespective of the task and as a function of frequency. The observer-based friction compensation is evaluated with respect to this new metric and to a task-based metric. It correctly attenuates the friction in the bandwidth of interest and significantly improves position and force tracking during a palpation task.<p><p>Structured fixed-order controllers are optimized numerically to achieve robust closed-loop performance despite modeling uncertainty. The structure is chosen among classical teleoperation structures. An efficient algorithm is selected and implemented to design such a controller, which is evaluated for a palpation task. It is compared to a full-order unstructured controller, representative of the design approach that has been used in the teleoperation literature up to now. The comparison highlights the advantages of our new approach: order-reduction steps and counter-intuitive behaviors are avoided. <p><p>A structured fixed-order controller combined with a disturbance observer is implemented during a needle insertion experiment and allowed to obtain excellent performance. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse traite la problématique d'estimation de la pose (position relative et orientation) d'un corps rigide en mouvement dans l’espace 3D par fusion de données issues de capteurs inertiels et visuels. Les mesures inertielles sont fournies à partir d’une centrale inertielle composée de gyroscopes 3 axes et d’accéléromètres 3 axes. Les données visuelles sont issues d’une caméra. Celle-ci est positionnée sur le corps rigide en mouvement, elle fournit des images représentatives du champ visuel perçu. Ainsi, les mesures implicites des directions des lignes, supposées fixes dans l’espace de la scène, projetées sur le plan de l’image seront utilisées dans l’algorithme d’estimation de l’attitude. La démarche consistait d’abord à traiter le problème de la mesure issue du capteur visuel sur une longue séquence en utilisant les caractéristiques de l’image. Ainsi, un algorithme de suivi de lignes a été proposé en se basant sur les techniques de calcul du flux optique des points extraits des lignes à suivre et utilisant une approche de mise en correspondance par minimisation de la distance euclidienne. Par la suite, un observateur conçu dans l’espace SO(3) a été proposé afin d’estimer l’orientation relative du corps rigide dans la scène 3D en fusionnant les données issues de l’algorithme de suivi de lignes avec les données des gyroscopes. Le gain de l’observateur a été élaboré en utilisant un filtre de Kalman de type M.E.K.F. (Multiplicative Extended Kalman Filter). Le problème de l’ambigüité du signe dû à la mesure implicite des directions des lignes a été considéré dans la conception de cet observateur. Enfin, l’estimation de la position relative et de la vitesse absolue du corps rigide dans la scène 3D a été traitée. Deux observateurs ont été proposés : le premier est un observateur en cascade avec découplage entre l’estimation de l’attitude et l’estimation de la position. L’estimation issue de l’observateur d’attitude alimente un observateur non linéaire utilisant des mesures issues des accéléromètres afin de fournir une estimation de la position relative et de la vitesse absolue du corps rigide. Le deuxième observateur, conçu quant à lui directement dans SE(3) , utilise un filtre de Kalman de type M.E.K.F afin d’estimer la pose par fusion de données inertielles (accéléromètres, gyromètres) et des données visuelles. Les performances des méthodes proposées sont illustrées et validées par différents résultats de simulation / AbstractThis thesis addresses the problems of pose estimation of a rigid body moving in 3D space by fusing data from inertial and visual sensors. The inertial measurements are provided from an I.M.U. (Inertial Measurement Unit) composed by accelerometers and gyroscopes. Visual data are from cameras, which positioned on the moving object, provide images representative of the perceived visual field. Thus, the implicit measure directions of fixed lines in the space of the scene from their projections on the plane of the image will be used in the attitude estimation. The approach was first to address the problem of measuring visual sensors after a long sequence using the characteristics of the image. Thus, a line tracking algorithm has been proposed based on optical flow of the extracted points and line matching approach by minimizing the Euclidean distance. Thereafter, an observer in the SO(3) space has been proposed to estimate the relative orientation of the object in the 3D scene by merging the data from the proposed lines tracking algorithm with Gyro data. The observer gain was developed using a Kalman filter type M.E.K.F. (Multiplicative Extended Kalman Filter). The problem of ambiguity in the sign of the measurement directions of the lines was considered in the design of the observer. Finally, the estimation of the relative position and the absolute velocity of the rigid body in the 3D scene have been processed. Two observers were proposed: the first one is an observer cascaded with decoupled from the estimation of the attitude and position estimation. The estimation result of the attitude observer feeds a nonlinear observer using measurements from the accelerometers in order to provide an estimate of the relative position and the absolute velocity of the rigid body. The second observer, designed directly in SE (3) for simultaneously estimating the position and orientation of a rigid body in 3D scene by fusing inertial data (accelerometers, gyroscopes), and visual data using a Kalman filter (M.E.K.F.). The performance of the proposed methods are illustrated and validated by different simulation results

Stateless model checking is a technique for testing and verifying concurrent programs, based on exploring the different ways in which operations executed by the processes of a concurrent program can be scheduled. The goal of the technique is to expose all behaviours that can be a result of scheduling non-determinism. As the number of possible schedulings is huge, however, techniques that reduce the number of schedulings that must be explored to achieve verification have been developed. Dynamic partial order reduction (DPOR) is a prominent such technique. This dissertation presents a number of improvements to dynamic partial order reduction that significantly increase the effectiveness of stateless model checking. Central among these improvements are the Source and Optimal DPOR algorithms (and the theoretical framework behind them) and a technique that allows the observability of the interference of operations to be used in dynamic partial order reduction. Each of these techniques can exponentially decrease the number of schedulings that need to be explored to verify a concurrent program. The dissertation also presents a simple bounding technique that is compatible with DPOR algorithms and effective for finding bugs in concurrent programs, if the number of schedulings is too big to make full verification possible in a reasonable amount of time, even when the improved algorithms are used. All improvements have been implemented in Concuerror, a tool for applying stateless model checking to Erlang programs. In order to increase the effectiveness of the tool, the interference of the high-level operations of the Erlang/OTP implementation is examined, classified and precisely characterized. Aspects of the implementation of the tool are also described. Finally, a use case is presented, showing how Concuerror was used to find bugs and verify key correctness properties in repair techniques for the CORFU chain replication protocol. / UPMARC / RELEASE

Le retard est un phénomène naturel présent dans la majorité des systèmes physiques et dans les applications d’ingénierie, ainsi, les systèmes à retard ont été un domaine de recherche très actif en automatique durant les 60 dernières années. La conception d’observateur est un des sujets les plus importants qui a été étudié, ceci est dû à l’importance des observateurs en automatique et dans les systèmes de commande en absence de capteur pour mesurer une variable. Dans ce travail, l’objectif principal est de concevoir des observateurs pour différentes classes de systèmes à retard avec un retard arbitrairement large, et ce en utilisant différentes approches. Dans la première partie de cette thèse, la conception d’un observateur a été réalisée pour une classe de systèmes non linéaires triangulaires avec une sortie échantillonnée et un retard arbitraire. Une l’autre difficulté majeure avec cette classe de systèmes est le fait que la matrice d’état dépend du signal de sortie non-retardé qui est immesurable. Un nouvel observateur en chaine, composé de sous-observateurs en série est conçu pour compenser les retards arbitrairement larges. Dans la seconde partie de ce travail, un nouvel observateur a été conçu pour un autre type de systèmes non linéaires triangulaires, où le retard a été considéré, cette fois-ci, comme une équation aux dérivées partielles de type hyperbolique du premier ordre. La transformation inverse en backstepping et le concept de l’observateur en chaine ont été utilisés lors de la conception de cet observateur afin d’assurer son efficacité en cas de grands retards. Dans la dernière partie de cette thèse, la conception d’un nouvel observateur a été réalisée pour un type de système modélisé par des équations paraboliques non linéaires où les mesures sont issues d’un nombre fini de points du domaine spatial. Cet observateur est constitué d’une série de sous-observateurs en chaine. Chaque sous-observateur compense une fraction du retard global. L'analyse de la stabilité des systèmes d’erreur a été fondée sur différentes fonctionnelles Lyapunov-Krasovskii. Par ailleurs, différents instruments mathématiques ont été employés au cours des différentes preuves présentées. Les résultats de simulation ont été présentés dans le but de confirmer l'exactitude des résultats théoriques / Time-delay is a natural phenomenon that is present in most physical systems and engineering applications, thus, delay systems have been an active area of research in control engineering for more than 60 years. Observer design is one of the most important subject that has been dealt with, this is due to the importance of observers in control engineering systems not only when sensing is not sufficient but also when a sensing reliability is needed. In this work, the main goal was to design observers for different classes of nonlinear delayed systems with an arbitrary large delay, using different approaches. In the first part, the problem of observer design is addressed for a class of triangular nonlinear systems with not necessarily small delay and sampled output measurements. Another major difficulty with this class of systems is the fact that the state matrix is dependent on the un-delayed output signal which is not accessible to measurement. A new chain observer, composed of sub-observers in series, is designed to compensate for output sampling and arbitrary large delays.In the second part of this work, another kind of triangular nonlinear delayed systems was considered, where this time the delay was considered as a first order hyperbolic partial differential equation. The inverse backstepping transformation was invoked and a chain observer was developed to ensure its effectiveness in case of large delays. Finally, a new observer was designed for a class of nonlinear parabolic partial differential equations under point measurements, in the case of large delays. The observer was composed of several chained sub-observers. Each sub-observer compensates a fraction of the global delay. The stability analyses of the error systems were based on different Lyapunov-Krasovskii functionals. Also different mathematical tools have been used in order to prove the results. Simulation results were presented to confirm the accuracy of the theoretical results

La mammographie, une modalité 2D d'imagerie du sein par rayons X, a montré son efficacité pour réduire la mortalité par cancer du sein. Aujourd'hui, la tomosynthèse numérique du sein, une modalité 3D d'imagerie du sein par rayons X, prend une place de plus en plus importante dans la pratique clinique, et est reconnue de plus en plus souvent comme ayant le potentiel de remplacer la mammographie dans un proche avenir. Pour évaluer plusieurs aspects de la tomosynthèse, des études cliniques sont nécessaires. Mais les études cliniques sont coûteuses et présentent des risques supplémentaires pour les patientes dus à l'utilisation de radiations ionisantes. Les études cliniques virtuelles ont pour objectif d'offrir une approche alternative en utilisant des simulations numériques. Dans cette thèse, nous nous intéressons à plusieurs éléments intervenants dans une telle étude clinique virtuelle. Dans un premier temps, nous analysons l'état de l'art sur la caractérisation analytique des champs aléatoires 3D pour la simulation de la texture du sein par rayons X. Nous nous intéressons aussi à l'estimation de caractéristiques statistiques des images du sein par rayons X (densité, indice spectral). Puis nous développons un nouveau modèle de texture 3D du sein basé sur la géométrie stochastique, et qui permet de simuler des images 2D et 3D réalistes du sein. Nous considérons le problème de l'inférence d'un tel modèle à partir d'une base d'images cliniques 3D. Ensuite, nous développons un observateur mathématique basé sur la théorie textit{a contrario} de la perception visuelle, pour modéliser la détection des microcalcifications par des radiologues dans des images 2D et 3D du sein. Tous ces composants sont utilisés pour implémenter une étude clinique entièrement numérique. La pertinence des résultats obtenus montre l'utilité de ces études cliniques virtuelles et nous incite à en développer de plus élaborées dans le futur. / Full field digital mammography, a 2D x-ray breast imaging modality has been proved to reduce the breast cancer mortality. Today, digital breast tomosynthesis, a 3D x-ray breast imaging modality, is being integrated in clinical practice and is believed to replace standard mammography in the near future. To assess the clinical performance of various aspects of tomosynthesis, clinical trials are needed. Clinical trials are burdensome, expensive and may impose increased risk to the patient due to additional radiation exposure. Virtual Clinical Trials aim to offer a more efficient alternative by using computational components. Today, active research is ongoing to develop computational components dedicated to 2D and 3D breast imaging, especially to 3D tomosynthesis. This thesis aims to advance several aspects in the development of Virtual Clinical Trials. First, we focused on analytical characterization of state-of-the-art 3D random field breast texture models. The estimation of statistical characteristics (breast density, spectral index) from clinical x-ray breast images was also studied. Next, we proposed a mathematically traceable 3D breast texture model based on stochastic geometry, that allows to simulate realistic 2D and 3D images. The statistical inference of the texture model parameters from a database of clinical 3D breast images was also tackled. We then developed a mathematical observer based on the textit{a contrario} theory, that allows to model the microcalcification detection process by radiologists in 2D and 3D breast images. Finally, these two proposed components were applied to implement a virtual clinical trial experiment, demonstrating their potential in the conduct of more advanced virtual clinical studies in the future.

The present thesis employs ideas of set invariance and sliding modes in order to deal with different relevant problems control of nonlinear systems. Initially, it reviews the techniques of set invariance as well as the more relevant results about sliding modes control. Then the main methodologies used are presented: sliding mode reference conditioning, second order sliding modes and continuous approximation of sliding modes. Finally, the methodologies are applied to different problems in control theory and to a variety of biologically inspired applications. The contributions of the thesis are: The development of a method to coordinate dynamical systems with different dynamic properties by means of a sliding mode auxiliary loop shaping the references given to the systems as function of the local and global goals, the achievable performance of each system and the available information of each system. Design methods for second order sliding mode algorithms. The methods decouple the problem of stability analysis from that of finite-time convergence of the super-twisting sliding mode algorithm. A nonlinear change of coordinates and a time-scaling are used to provide simple, yet flexible design methods and stability proofs. Application of the method to the design of finite-time convergence estimators of bioprocess kinetic rates and specific biomass growth rate, from biomass measurements. Also the estimators are validated with experimental data. The proposal of a strategy to reduce the variability of a cell-to-cell communication signal in synthetic genetic circuits. The method uses set invariance and sliding mode ideas applied to gene expression networks to obtain a reduction in the variance of the communication signal. Experimental approaches available to modify the characteristics of the gene regulation function are described. / Vignoni, A. (2014). Invariance and Sliding Modes. Application to coordination of multi-agent systems, bioprocesses estimation, and control in living cells [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/37743

Les travaux de recherche développés, dans ce rapport de thèse de Doctorat traitent la commande vectorielle indirecte par orientation du flux statorique d'une machine asynchrone avec ou sans capteur de vitesse. L'approche développée utilise la méthode adaptative avec modèle de référence. Le modèle de référence ainsi que le modèle ajustable, qui sont développés dans un repère lié au stator, sont utilisés pour l'estimation de la vitesse de rotation, de la résistance rotorique et enfin l'estimation mutuelle de la vitesse de rotation et de résistance rotorique d'une machine asynchrone à partir de la connaissance des courants et tensions statoriques. Pour annuler l'erreur statique lors de la régulation de la vitesse et améliorer par la suite les performances des résultats obtenus, le couple résistant, qui peut être considéré comme une perturbation, a été estimé en se basant sur les variables d'état du moteur à commander. Pour cela une procédure d'estimation du couple résistant de la même machine a été développée en se basant sur un observateur de type Luenberger. Les résultats de simulation numérique obtenus dans l'environnement Matlab- Simulink ainsi que les résultats expérimentaux, obtenus sur deux plates formes d'essais de machines asynchrones équipées chacune d'une carte de commande temps réel de type DS1104, valident bien les algorithmes développés. / The research developed in this PhD report deal with indirect stator field oriented control (ISFOC) of an induction motor drive (IM), with and without speed sensor. The developed approach uses the method with Model Reference Adaptive System (MRAS). The reference model and the adjustable one, which are developed in stationary stator reference frame, are used to estimate the rotor speed, the rotor resistance and the simultaneous estimation of speed and rotor resistance of the (IM) from the knowledge of the stator currents and voltages. To cancel the static error in the speed control and ameliorate subsequently the performance results, the load torque, which can be considered as a disturbance, has been estimated based on the state variables of the motor to be controlled. For this, a procedure was developed to estimate the torque of the same machine based on a Luenberger observer. The numerical simulations results obtained with Matlab-Simulink software package as well as the experimental results, obtained on two platforms for testing asynchronous machines each equipped with a real time controller board of dSPACE, validate the developed algorithms.

The main theme of this dissertation is to define an image as a visual experience. The human interaction is described by the author himself as a perception of the image, which serves as an information unit that could be presented as a possibility, example and pattern for the individual. There is an emphasis on the process of perception itself and on the way of interaction of an individual emphasizing the context of social learning and imitation in this text. The analysis of the principles of this interaction leading into introduction of the partial interactive models covering these processes is formed by the essential plane. The structure of the thesis is divided into ten main chapters in which the author tries to introduce a category of perception, a definition of the image and imitation as a tool of cultural transmission, presentation of the units of this transmission, the process of the interaction itself and analogous example of the fundamental role that a person in this interaction holds. There are also three analogies of these roles, which refer to the anthropological universal interaction describing the man as a gatherer and hunter. Their main purpose is to illustrate the form of a human experience better. Finally, there are reflections on the topic above. The possibilities and results, which...