Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation et la commande des robots poly-articulés utilisés dans les applications d'imagerie médicale. Ces travaux ont porté sur deux aspects complémentaires, d'une part, la méthodologie de modélisation des robots positionneurs dans les applications d'imagerie médicale. D'autre part, les méthodologies de contrôle de mouvements et de réduction des vibrations. Les concepts développés dans ce travail sont présentés selon une approche « Bottom-up » visant à étudier le cas mono-axe afin de mieux définir la problématique identifiée et de comprendre l'impact des solutions. Ensuite, l'étude portera sur l'extension des concepts retenus dans le cadre de la commande multiaxe du robot. Dans la phase de modélisation, une démarche formalisée en vue d'obtenir les modèles des robots (de connaissances, d'analyse et de commande) est exposée. Aussi, ce travail vise à démontrer, via une étude comparative, le potentiel d'application de plusieurs approches de modélisation et de commande dans ce cadre précis. En complément au travail de modélisation, un outil d'aide à la modélisation a été mise en place. Les modèles établis ont permis d'étudier différentes stratégies de commande, l'étude a porté sur l'élaboration de trois actions de commande, à savoir, la génération de trajectoire du système, le calcul du couple d'anticipation, et le calcul du correcteur qui permet de garantir la poursuite de la trajectoire. Enfin, une part importante de ce travail a été consacrée à la validation expérimentale des modèles établis et aux essais des lois de commandes retenues sur les robots d'imagerie médicale.

Dans cette thèse nous nous intéressons à deux types d'approches pour la planification de pas pour robots humanoïdes : d'une part les approches discrètes où le robot n'a qu'un nombre fini de pas possibles, et d'autre part les approches où le robot se base sur des zones de faisabilité continues. Nous étudions ces problèmes à la fois du point de vue théorique et pratique. En particulier nous décrivons deux méthodes originales, cohérentes et efficaces pour la planification de pas, l'une dans le cas discret (chapitre 5) et l'autre dans le cas continu (chapitre 6). Nous validons ces méthodes en simulation ainsi qu'avec plusieurs expériences sur le robot HRP-2.

Ces travaux de recherche portent sur la commande et la planification de trajectoires pour la navigation de véhicules autonomes. Ils se situent dans le cadre d'un projet très ambitieux lancé par le laboratoire Heudiasyc sur la conduite autonome à grande vitesses (vitesse longitudinale supérieure à 5m/s ~= 18 km/h). Pour proposer des solutions à cette problématique, après avoir réalisé une large recherche bibliographique sur la commande et la planification des trajectoires des véhicules autonomes, plusieurs contributions ont été présentées. En ce qui concerne la commande des véhicules autonomes, un contrôleur latéral par mode glissant d'ordre supérieur a été proposé. Compte tenu de la ressemblance implicite entre le mode glissant et le principe d'immersion et d'invariance (I&I), deux contrôleurs utilisant le principe d'immersion et d'invariance ont été proposés par la suite pour améliorer les performances par rapport au mode glissant. Le développement de ces nouveaux contrôleurs nous a permis de garantir une stabilité robuste pour tous les gains positifs des contrôleurs I&I. Ce résultat nous a conduit à étudier les propriétés intrinsèques du système. Une étude des propriétés de passivité du système a révélé des caractéristiques de passivité intéressantes. Par la suite, nous avons développé un contrôleur robuste basé sur la passivité. Concernant la navigation, nous avons développé deux algorithmes de navigation basés sur la méthode des tentacules. Ceci dans le but d'améliorer la méthode de base. Les résultats de la simulation montrent que les algorithmes donnent de bons résultats vis-à-vis des objectifs attendus d'évitement d'obstacles et de suivi de la trajectoire globale de référence. Les algorithmes de commande et de planification de trajectoires développés ont été validés en simulation hors-ligne avec des données réelles après avoir été testés sur un simulateur réaliste. / My research focuses on trajectory planning and control of autonomous vehicles. This work is a part of an extremely ambitious project launched by the Heudiasyc laboratory about autonomous driving at high speed (longitudinal speed greater to 5m/s ~= 18 km/h). With regard to the control of autonomous vehicles at high speed, a lateral controler using higher-order sliding mode control is proposed. Given the implicit similarity between the sliding mode and the principle of immersion and invariance, two controllers using the principle of immersion and invariance have been subsequently proposed in order to improve the performance with respect to the sliding mode. The development of these new controllers shows very strong robust stability which leads us to study the intrinsic properties of the system. A study of the passivity properties of the system is also crried out, showing some interesting characteristics of the system. Hence, a robust passivity-based controller has been developed. Regarding the navigation, we have developed two navigation algorithms based on the tentacles method. Subsequently, a feasibility study of trajectory generation strategies for high speed driving is conducted. The outcome of the simulation proved that the algorithms gave out good results with respect to the expected ogjectives of obstacle avoidance and global reference path following. Control and motion planning algorithms developed were validated offline by simulation with real data. They have been also tested on a realistic simulator.

Depuis l'invention de l'automobile à la fin du 19eme siècle, la taille du parc ainsi que l'importance du trafic routier n'ont cessées d'augmenter. Ceci a malheureusement été suivi par l'augmentation constante du Nombre d'accidents routiers. Un grand nombre d'études et notamment un rapport fourni par l'Organisation Mondiale de la Santé, a présenté un état alarmant du nombre de blessés et de décès liés aux accidents routiers. Afin de réduire ces chiffres, une solution réside dans le Développement de systèmes d'aide à la conduite qui ont pour but d'assister le conducteur dans sa tâche de conduite. La recherche dans le domaine des aides à la conduite s'est montrée très dynamique et productive durant les vingt dernières années puisque des systèmes tels que l'antiblocage de sécurité (ABS), le programme de stabilité électronique (ESP), le régulateur de vitesse intelligent (ACC), l'assistant aux manœuvres de parking (PMA), les phares orientables (DBL), etc. sont maintenant commercialisés et acceptés par la majorité des conducteurs. Cependant, si ces systèmes ont permis d'améliorer la sécurité des conducteurs, de nombreuses pistes sont encore à explorer. En effet, les systèmes d'aide à la conduite existants ont un comportement microscopique, en d'autres termes ils se focalisent uniquement sur la tâche qu'ils ont à effectuer. Partant du principe que la collaboration entre toutes ces aides à la conduite est plus efficace que leur utilisation en parallèle, une approche globale d'aide à la conduite devient nécessaire. Ceci se traduit par la nécessité de développer une nouvelle génération d'aide à la conduite, prenant en compte d'avantage d'informations et de contraintes liées au véhicule, au conducteur et à son environnement. [...] / Since the origin of the automotive at the end of the 19th century, the traffic flow is subject to a constant increase and, unfortunately, involves a constant augmentation of road accidents. Research studies such as the one performed by the World Health Organization, show alarming results about the number of injuries and fatalities due to these accidents. To reduce these figures, a solution lies in the development of Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) which purpose is to help the Driver in his driving task. This research topic has been shown to be very dynamic and productive during the last decades. Indeed, several systems such as Anti-lock Braking System (ABS), Electronic Stability Program (ESP), Adaptive Cruise Control (ACC), Parking Manoeuvre Assistant (PMA), Dynamic Bending Light (DBL), etc. are yet market available and their benefits are now recognized by most of the drivers. This first generation of ADAS are usually designed to perform a specific task in the Controller/Vehicle/Environment framework and thus requires only microscopic information, so requires sensors which are only giving local information about an element of the Vehicle or of its Environment. On the opposite, the next ADAS generation will have to consider more aspects, i.e. information and constraints about of the Vehicle and its Environment. Indeed, as they are designed to perform more complex tasks, they need a global view about the road context and the Vehicle configuration. For example, longitudinal control requires information about the road configuration (straight line, bend, etc.) and about the eventual presence of other road users (vehicles, trucks, etc.) to determine the best reference speed. [...]

Dans ce mémoire, nous présentons une méthode de suivi de fond pour petits véhicules autonomes sous-marins sous-actionnés de type « torpille civile ». Nous établissons les deux principales limitations qui contraignent leurs déplacements : le rayon de courbure minimal et la pente maximale de leur trajectoire. Nous proposons ensuite une méthode globale de suivi de fond prenant en compte ces contraintes. La génération des trajectoires suppose la connaissance de la position du véhicule dans un environnement bathymétrique connu a priori. Cette dernière condition n'étant pas toujours vérifiée, nous adaptons la méthode globale au cas, local, où le véhicule navigue dans un environnement inconnu dont il découvre progressivement les caractéristiques physiques. La méthode employée alors exploite les données bathymétriques acquises par deux sondeurs mono-faisceaux disposés dans le nez du véhicule. Le choix de ce type de capteurs est justifié et les modèles des faisceaux acoustiques sont étudiés. L'adjonction d'un troisième sondeur à l'avant du véhicule permet de tenir compte également de l'éventualité de se trouver face à un aplomb, c'est-à-dire une falaise sous-marine. Un algorithme basé sur un découpage du faisceau en trois zones de perception permet de classer les échos reçus et d'adapter le comportement du véhicule en conséquence. On détermine ainsi la taille de l'obstacle et la manière de l'éviter afin de garantir la sécurité du véhicule tout en tâchant de suivre le fond au plus près. Les résultats des simulations du comportement hydrodynamique du véhicule Taipan ainsi que des essais en milieu naturel sont présentés.

L'objet de cette thèse est de proposer un cadre complet, du haut niveau au bas niveau, de génération de trajectoires pour un groupe de systèmes dynamiques indépendants. Ce cadre, basé sur la résolution de l'équation de Burgers pour la génération de trajectoires, est appliqué à un modèle original de drone trirotor et utilise la platitude des deux systèmes différentiels considérés. La première partie du manuscrit est consacrée à la génération de trajectoires. Celle-ci est effectuée en créant formellement, par le biais de la platitude du système considéré, des solutions à l'équation de la chaleur. Ces solutions sont transformées en solution de l'équation de Burgers par la transformation de Hopf-Cole pour correspondre aux formations voulues. Elles sont optimisées pour répondre à des contraintes spécifiques. Plusieurs exemples de trajectoires sont donnés.La deuxième partie est consacrée au suivi autonome de trajectoire par un drone trirotor. Ce drone est totalement actionné et un contrôleur en boucle fermée non-linéaire est proposé. Celui-ci est testé en suivant, en roulant, des trajectoires au sol et en vol. Un modèle est présenté et une démarche pour le contrôle est proposée pour transporter une charge pendulaire. / This thesis is dedicated to the creation of a complete framework, from high-level to low-level, of trajectory generation for a group of independent dynamical systems. This framework, based for the trajectory generation, on the resolution of Burgers equation, is applied to a novel model of trirotor UAV and uses the flatness of the two levels of dynamical systems.The first part of this thesis is dedicated to the generation of trajectories. Formal solutions to the heat equation are created using the differential flatness of this equation. These solutions are transformed into solutions to Burgers' equation through Hopf-Cole transformation to match the desired formations. They are optimized to match specific requirements. Several examples of trajectories are given.The second part is dedicated to the autonomous trajectory tracking by a trirotor UAV. This UAV is totally actuated and a nonlinear closed-loop controller is suggested. This controller is tested on the ground and in flight by tracking, rolling or flying, a trajectory. A model is presented and a control approach is suggested to transport a pendulum load.

Dans un contexte industriel aéronautique où les problématiques de sécurité constituent un facteur différentiateur clé, l’objectif de cette thèse est de répondre à la problématique ambitieuse de la réduction des accidents de type opérationnel. Les travaux de recherche s’inscrivent dans le domaine des systèmes d’alarmes pour l’évitement de collision qui ne font pas une analyse approfondie des solutions d’évitement par rapport à la situation de danger. En effet, les situations d’urgence en vol ne bénéficient pas à ce jour d’une représentation et d’un guide des solutions associées formels. Bien que certains systèmes d’assistance existent et qu’une partie de la connaissance associée aux situations d’urgence ait pu être identifiée, la génération dynamique d’une séquence de manœuvres sous fortes contraintes de temps et dans un environnement non connu à l’avance représente une voie d’exploration nouvelle. Afin de répondre à cette question et de rendre objective la notion de danger, les travaux de recherche présentés dans cette thèse mettent en confrontation la capacité d’évolution d’un aéronef dans son environnement immédiat avec une enveloppe physique devenant contraignante. Afin de mesurer ce danger, les travaux de recherche ont conduit à construire un module de trajectoires capable d’explorer l’espace en 3D. Cela a permis de tirer des enseignements en terme de flexibilité des manœuvres d’évitement possibles à l’approche du sol. De plus l’elicitation des connaissances des pilotes et des experts d’Airbus Helicopters (ancien Eurocopter) mis en situation d’urgence dans le cas d’accidents reconstitués en simulation a conduit à un ensemble de paramètres pour l’utilisation de la méthode multicritère PROMETHEE II dans le processus de prise de décision relatif au choix de la meilleure trajectoire d’évitement et par conséquent à la génération d’alarmes anti-collision. / In the aeronautics industrial context, the issues related to the safety constitute a highly differentiating factor. This PhD thesis addresses the challenge of operational type accident reduction. The research works are positioned and considered within the context of existing alerting equipments for collision avoidance, who don’t report a thorough analysis of the avoidance manoeuvres with respect to a possible threat. Indeed, in-flight emergency situations are various and do not all have a formal representation of escape procedures to fall back on. Much of operational accident scenarios are related to human mistakes. Even if systems providing assistance already exist, the dynamic generation of a sequence of manoeuvres under high constraints in an unknown environment remain a news research axis, and a key development perspective. In order to address this problematic and make the notion of danger objective, the research works presented in this thesis confront the capabilities of evolution of an aircraft in its immediate environment with possible physical constraints. For that purpose, the study has conducted to generate a module for trajectory generation in the 3D space frame, capable of partitioning and exploring the space ahead and around the aircraft. This has allowed to draw conclusions in terms of flexibility of escape manoeuvres on approach to the terrain. Besides, the elicitation of the Airbus Helicopters (former Eurocopter) experts knowledge put in emergency situations, for reconstituted accident scenarios in simulation, have permitted to derive a certain number of criteria and rules for parametrising the multicriteria method PROMETHEE II in the process for the relative decision-making of the best avoidance trajectory solution. This has given clues for the generation of new alerting rules to prevent the collisions.