Ce mémoire aborde le problème de l'exécution d'une trajectoire pour un robot mobile à roues soumis à des contraintes non-holonomes. Le but est de développer une méthode permettant d'éviter les collisions dûes aux erreurs de localisation du robot dans son environnement, aux obstacles inconnus et aux imprécisions du plan de l'environnement. La méthode s'appuie sur une technique générique de déformation de trajectoire. Les obstacles perçus au cours du mouvement génèrent des forces virtuelles qui repoussent la trajectoire au loin tout en garantissant le respect des contraintes non-holonomes. La méthode de calcul des forces virtuelles est décrite en détail pour différents systèmes. L'algorithmique nécessaire à l'exécution simultanée de la déformation et du suivi d'une trajectoire en respectant les limitations cinématiques du robot est présenté. Des résultats expérimentaux sur des robots réels sont présentés dans le mémoire

La stabilisation des robots mobiles non holonomes est un problème délicat en robotique. En effet, la condition de Brockett n'étant pas vérifiée, il ne peut pas exister de retour d'état stabilisant de type continu et stationnaire. De nombreux auteurs proposent alors une solution partielle en assurant un suivi de trajectoire à validité locale. Dans ce mémoire, nous avons proposé deux nouvelles approches pour le suivi de trajectoire de robots mobiles non holonomes. La première approche est basée sur l'utilisation d'une classe de modèles polytopiques non linéaires, appelés modèles flous de type Takagi-Sugeno (TS), et la synthèse de lois de commande PDC (Parallel Distributed Compensation). De manière à filtrer les mesures, un observateur flou TS est ajouté à la structure de commande et la stabilité de la boucle fermée complète est assurée en utilisant le principe de séparation. Ce point représente un des intérêts majeurs de la méthode proposée. La deuxième approche proposée dans ce mémoire concerne la détermination d'une loi de commande avec retour de sortie dans le cas de mesures retardées. En effet, dans de nombreuses applications de robotique mobile, un traitement ou une transmission d'information sont nécessaires pour prendre des décisions, déterminer la localisation ou percevoir l'environnement. Ces traitements peuvent introduire des retards plus ou moins importants. Bien que pouvant influer de manière non négligeable sur la qualité des résultats, ces retards ont été jusqu'ici ignorés. Les deux nouvelles approches proposées ont été validées sur la plate-forme de robots mobiles de l'Université de Ljubljana.

Ce travail de thèse concerne la synthèse de commandes référencées capteur pour les robots non holonomes, dans le cadre de l'approche par fonctions transverses, ainsi que l'étude de la robustesse de ces lois de commande. La commande de robots non holonomes a été très étudiée ces quinze dernières années. Cependant, lorsque l'on souhaite stabiliser la pose complète du robot, la synthèse de lois de commande robustes vis-à-vis d'erreurs d'estimation de l'état du robot (qui dans la pratique découlent typiquement d'erreurs sur les modèles des capteurs) reste un problème ouvert. La problématique principale de cette thèse se situe à ce niveau. Les résultats développés dans cette thèse portent essentiellement sur deux aspects. Le premier concerne la façon d'utiliser les signaux capteurs pour la synthèse de lois de commande. Plusieurs méthodes de synthèse de commande sont proposées dans ce travail, en particulier, par analogie avec la commande des robots manipulateurs, nous proposons une synthèse directe dans l'espace des signaux capteurs. La deuxième partie de ce travail, plus fondamentale, porte sur l'analyse et l'évaluation des propriétés de robustesse des schémas de commande vis-à-vis d'incertitudes sur les modèles de capteurs. Des résultats théoriques de stabilité sont établis, puis validés et complétés par des simulations ainsi que par des résultats expérimentaux.

Les robots dits « de service » doivent cohabiter avec des humains dans la vie de tous les jours. Ils sont ainsi confrontés à des environnements dynamiques qui ne leur sont pas spécifiquement adaptés. Afin de pouvoir y évoluer efficacement, ils doivent posséder, entre autres, une base capable d’une grande mobilité. Les bases mobiles omnidirectionnelles utilisant des roues conventionnelles orientables (RCO) présentent un bon compromis entre mobilité et complexité mécanique. Possédant généralement plus d’actionneurs que de degrés de liberté, elles nécessitent cependant une coordination rigoureuse de leurs actionneurs afin de garantir un mouvement précis et sécuritaire. La coordination des actionneurs est le rôle du contrôleur d’exécution. Une coordination basée sur le concept du mouvement du châssis autour de son centre instantané de rotation (CIR) est une méthode connue. Cependant, les paramétrisations communément utilisées pour décrire la position du CIR sont toutes entachées de singularités propres, ce qui nuit à la conception d’un contrôleur d’exécution efficace. De plus, la plupart des contrôleurs d’exécution présentés dans la littérature ne sont pas adaptés à l’utilisation de RCO qui possèdent un couplage mécanique entre direction et propulsion (dénommées roues AZIMUT), qui permettent par exemple de ressentir des forces qui seraient appliquées extérieurement sur la base. Enfin, ces contrôleurs d’exécution ne peuvent pas gérer de façon aisée les contraintes de position, vitesse et accélération imposées par les actionneurs. Cette thèse adresse le problème du contrôle d’exécution pour AZIMUT-3, une base mobile omnidirectionnelle non holonome utilisant des roues AZIMUT. Un nouvel espace de configuration pour le mouvement du châssis ainsi qu’une paramétrisation de celui-ci ne possédant aucune singularité propre sont tout d’abord proposés. Afin de garantir la coordination des roues, le contrôle se fait explicitement dans cet espace de configuration, et les modèles cinématiques établis pour le robot permettent de passer de l’espace de configuration du mouvement du châssis à celui du mouvement des actionneurs et réciproquement. Le contrôle ne se faisant pas dans l’espace de configuration du mouvement des actionneurs, il est nécessaire d’estimer le mouvement du châssis à partir des données fournies par les actionneurs. Un nouvel algorithme itératif d’estimation de la position du CIR est ainsi proposé. Le contrôleur d’exécution conçu sur la base de ces éléments permet de respecter les contraintes en position, vitesse et accélération des actionneurs et de gérer le couplage propre aux roues AZIMUT. Il permet aussi de gérer les singularités structurelles inhérentes aux robots mobiles utilisant des RCO. Les résultats de tests effectués avec AZIMUT-3 démontrent les performances du contrôleur d’exécution conçu en termes de respect des contraintes, de précision odométrique et de vitesse d’exécution de commande. L’extension du modèle cinématique et du contrôleur d’exécution à tous les robots mobiles omnidirectionnels non holonomes utilisant des RCO est aussi discutée.

Ce travail de thèse concerne la synthèse de commandes référencées capteur pour les robots non holonomes, dans le cadre de l'approche par fonctions transverses, ainsi que l'étude de la robustesse de ces lois de commande.<br />La commande de robots non holonomes a été très étudiée ces quinze dernières années. Cependant, lorsque l'on souhaite stabiliser la pose complète du robot, la synthèse de lois de commande robustes vis-à-vis d'erreurs d'estimation de l'état du robot (qui dans la pratique découlent typiquement d'erreurs sur les modèles des capteurs) reste un problème ouvert. La problématique principale de cette thèse se situe à ce niveau. <br />Les résultats développés dans cette thèse portent essentiellement sur deux aspects. Le premier concerne la façon d'utiliser les signaux capteurs pour la synthèse de lois de commande. Plusieurs méthodes de synthèse de commande sont proposées dans ce travail, en particulier, par analogie avec la commande des robots manipulateurs, nous proposons une synthèse directe dans l'espace des signaux capteurs. La deuxième partie de ce travail, plus fondamentale, porte sur l'analyse et l'évaluation des propriétés de robustesse des schémas de commande vis-à-vis d'incertitudes sur les modèles de capteurs. Des résultats théoriques de stabilité sont établis, puis validés et complétés par des simulations ainsi que par des résultats expérimentaux.

Ce travail se place dans le cadre de la navigation autonome d'une flottille de robots mobiles non holonomes. Notre objectif est de doter un système multi-robots à la fois d'une architecture de planification de trajectoire flexible et d'une architecture de poursuite de trajectoire performante et robuste.<br />Le premier chapitre est consacré à la présentation du contexte.<br />Le deuxième chapitre est dévolu au développement d'un algorithme de planification de trajectoire admissible pour un robot mobile suffisamment flexible pour pouvoir être étendu au cadre multi-robots.<br />Dans le troisième chapitre, deux mécanismes de coordination sont développés. Pour le premier, les conflits sont résolus via un superviseur. Le second permet la génération en ligne des trajectoires optimales de chaque robot de manière décentralisée à partir uniquement des informations disponibles.<br />Le quatrième chapitre concerne la commande par modes glissants d'ordre quelconque. L'efficacité de l'algorithme est mise en lumière à travers des résultats expérimentaux sur un moteur pas à pas.<br />Dans le cinquième chapitre, deux algorithmes de commande par modes glissants avec action intégrale sont synthétisés et implémentés sur le robot Pekee. Ces techniques assurent la stabilisation et/ou le suivi de trajectoire malgré la présence de perturbations et d'incertitudes.<br />Le dernier chapitre décrit un mécanisme décentralisé de coordination de type ``meneur/suiveur''. Il permet de s'affranchir de la connaissance de la position absolue de l'ensemble des robots et d'éviter les collisions entre robots. Enfin, nous présentons des résultats expérimentaux sur une flottille de trois robots Miabot.

Notre motivation est de comprendre la locomotion humaine pour un meilleur contrôle des systèmes virtuels (robots et mannequins). La locomotion humaine a été étudiée depuis longtemps dans des domaines différents. Nous considérons la locomotion comme le déplacement d'un repère attaché au corps humain (direction et orientation) au lieu de la trajectoire articulaire du corps complet. Notre approche est basée sur le fondement calculatoire de la locomotion humaine. Le but est de trouver un modèle qui explique la forme de la locomotion humaine dans l'espace. Pour ce faire, nous étudions tout d'abord le comportement des trajectoires au sol pendant la locomotion intentionnelle. Quand un humain marche, il met un pied devant l'autre et par conséquence, l'orientation du corps suit la direction tangente de la trajectoire. C'est ce qu'on appelle l'hypothèse de comportement nonholonome. Cependant, dans le cas d'un pas de côté, l'orientation du corps n'est plus semblable à la direction de trajectoire, et l'hypothèse n'est plus valable. Le comportement de la locomotion devient holonome. Le but de la thèse est de distinguer ces deux comportements et de les exploiter en neuroscience, robotique et animation graphique. La première partie de la thèse présente une étude qui permet de déterminer des configurations de comportement holonome par un protocole expérimental et par une fonction qui segmente les comportements nonholonomes et holonomes d'une trajectoire. Dans la deuxième partie, nous établissons un modèle unifiant comportements nonholonomes et holonomes. Ce modèle combine trois vitesses générant la locomotion humaine : tangentielle, angulaire et latérale. Par une approche de commande optimale inverse nous proposons une fonction multi-objectifs qui optimise des trajectoires calculées pour les rendre proches des trajectoires humaines naturelles. La dernière partie est l'application qui utilise les deux comportements pour synthétiser des locomotions humaines dans un environnement d'an imation graphique. Chaque locomotion est caractérisée par trois vitesses et est donc considérée comme un point dans l'espace de commande 3D (de trois vitesses). Nous avons collecté une librairie qui contient des locomotions de vitesses différentes - des points dans l'espace 3D. Ces points sont structurés en un nuage de tétraèdres. Quand une vitesse désirée est donnée, elle est projetée dans l'espace 3D et on trouve le tétraèdre qui la contient. La nouvelle animation est interpolée par quatre locomotions correspondant aux quatre sommets du tétraèdre. On expose plusieurs scénarios d'animations sur un personnage virtuel.

Notre motivation est de comprendre la locomotion humaine pour un meilleur contrôle des systèmes virtuels (robots et mannequins). La locomotion humaine a été étudiée depuis longtemps dans des domaines différents. Nous considérons la locomotion comme le déplacement d’un repère attaché au corps humain (direction et orientation) au lieu de la trajectoire articulaire du corps complet. Notre approche est basée sur le fondement calculatoire de la locomotion humaine. Le but est de trouver un modèle qui explique la forme de la locomotion humaine dans l’espace. Pour ce faire, nous étudions tout d’abord le comportement des trajectoires au sol pendant la locomotion intentionnelle. Quand un humain marche, il met un pied devant l’autre et par conséquence, l’orientation du corps suit la direction tangente de la trajectoire. C’est ce qu’on appelle l’hypothèse de comportement nonholonome. Cependant, dans le cas d’un pas de côté, l’orientation du corps n’est plus semblable à la direction de trajectoire, et l’hypothèse n’est plus valable. Le comportement de la locomotion devient holonome. Le but de la thèse est de distinguer ces deux comportements et de les exploiter en neuroscience, robotique et animation graphique. La première partie de la thèse présente une étude qui permet de déterminer des configurations de comportement holonome par un protocole expérimental et par une fonction qui segmente les comportements nonholonomes et holonomes d’une trajectoire. Dans la deuxième partie, nous établissons un modèle unifiant comportements nonholonomes et holonomes. Ce modèle combine trois vitesses générant la locomotion humaine : tangentielle, angulaire et latérale. Par une approche de commande optimale inverse nous proposons une fonction multi-objectifs qui optimise des trajectoires calculées pour les rendre proches des trajectoires humaines naturelles. La dernière partie est l’application qui utilise les deux comportements pour synthétiser des locomotions humaines dans un environnement d’animation graphique. Chaque locomotion est caractérisée par trois vitesses et est donc considérée comme un point dans l’espace de commande 3D (de trois vitesses). Nous avons collecté une librairie qui contient des locomotions de vitesses différentes – des points dans l’espace 3D. Ces points sont structurés en un nuage de tétraèdres. Quand une vitesse désirée est donnée, elle est projetée dans l’espace 3D et on trouve le tétraèdre qui la contient. La nouvelle animation est interpolée par quatre locomotions correspondant aux quatre sommets du tétraèdre. On expose plusieurs scénarios d’animations sur un personnage virtuel. / Our motivation is to understand human locomotion to better control locomotion of virtual systems (robots and mannequins). Human locomotion has been studied so far in different disciplines. We consider locomotion as the level of a body frame (in direction and orientation) instead of the complexity of many kinematic joints systems as other approaches. Our approach concentrates on the computational foundation of human locomotion. The ultimate goal is to find a model that explains the shape of human locomotion in space. To do that, we first base on the behavior of trajectories on the ground during intentional locomotion. When human walk, they put one foot in front of the other and consequently, the direction of motion is deduced by the body orientation. That’s what we called the nonholonomic behavior hypothesis. However, in the case of a sideward step, the body orientation is not coupled to the tangential direction of the trajectory, and the hypothesis is no longer validated. The behavior of locomotion becomes holonomic. The aim of this thesis is to distinguish these two behaviors and to exploit them in neuroscience, robotics and computer animation. The first part of the thesis is to determine the configurations of the holonomic behavior by an experimental protocol and an original analytical tool segmenting the nonholonomic and holonomic behaviors of any trajectory. In the second part, we present a model unifying nonholonomic and holonomic behaviors. This model combines three velocities generating human locomotion: forward, angular and lateral. The experimental data in the first part are used in an inverse optimal control approach to find a multi-objective function which produces calculated trajectories as those of natural human locomotion. The last part is the application that uses the two behaviors to synthesize human locomotion in computer animation. Each locomotion is characterized by three velocities and is therefore considered as a point in 3D control space (of three speeds). We collected a library that contains locomotions at different velocities - points in 3D space. These points are structured in a tetrahedra cloud. When a desired speed is given, it is projected into the 3D space and we find the corresponding tetrahedron that contains it. The new animation is interpolated by four locomotions corresponding to four vertices of the selected tetrahedron. We exhibit several animation scenarios on a virtual character.

Ce travail de thèse se place dans le cadre de la conduite automatisée des véhicules sur roues.<br />Notre objectif est le développement et l´expérimentation d´une nouvelle approche de commande des systèmes non-linéaires en vue du suivi d´une cible, associée par exemple à un véhicule de référence. L´originalité de ce travail est que la cible n´est pas contrainte dans ces mouvements et peut donc suivre des trajectoires non réalisables par le véhicule commandé.<br />Il devient ainsi possible d´effectuer le suivi d´un véhicule de référence quelque soit le mouvement de celui-ci (marche avant, marche arrière, manoeuvres...).<br /><br />L´approche de commande étudiée ici est basée sur le concept de fonction transverse, et consiste à effectuer une stabilisation pratique du repère cible.<br />Dans un premier temps, nous analysons l´influence des paramètres de commande sur le suivi du repère.<br />A partir de cette analyse, nous proposons ensuite de nouvelles commandes qui permettent d´améliorer la précision du suivi et le comportement du système lors des phases transitoires.<br />Enfin, nous présentons des résultats d´expérimentations obtenus sur le système robotique du laboratoire Icare.<br />Cette phase expérimentale a nécessité de développer un estimateur de la vitesse de la cible. Celui-ci est basé sur la fusion des données issues de la vision et de celles issues des mesures odométriques.

Le travail présenté dans cette thèse vise à améliorer la planification de chemins pour un robot similaire à une voiture. Ainsi, seul l'aspect géométrique du mouvement est considéré (les vitesses sont ignorées) et le robot est soumis à deux contraintes qui limitent ses déplacements : sa direction instantanée de déplacement reste parallèle à son axe principal, et son rayon de braquage est minoré. Les travaux antérieurs sur ce sujet n'ont donné lieu qu'à des solutions produisant des chemins (dits chemins de Dubins) formés d'arcs de cercles de rayon minimum reliés tangentiellement par des segments. Ces chemins sont localement optimaux, mais la discontinuité de leur courbure ne permet pas à un véhicule de les suivre correctement (le véhicule doit s'arrêter à chaque discontinuité pour réorienter ses roues directrices). C'est pourquoi on a développé une approche qui permet de produire des chemins ayant un profil de courbure continu et une dérivée bornée de la courbure (cette dernière contrainte correspond au fait que la vitesse de rotation du volant du véhicule est elle aussi bornée). La contribution majeure de cette thèse est donc de définir des chemins respectant ces contrain tes, tout en étant très proches des chemins de Dubins localement optimaux. Ce mémoire de thèse est constitué de trois parties. La première s'appuie sur une analyse de l'existant en matière de planification de chemins en robotique mobile, pour fixer précisément les caractéristiques du problème de planification abordé (en termes de commandabilité du robot et de nature des chemins optimaux) et pour justifier l'approche choisie. La seconde partie du mémoire de thèse présente une première approche de planification de chemins à courbure continue, dans laquelle seule la contrainte de continuité de la courbure est ajoutée au problème classique de planification de chemins sans manoeuvre. La dernière partie du mémoire de thèse reprend dans son intégralité le problème énoncé dans la première partie, et propose une solution sous-optimale. Dans les parties deux et trois, un planificateur local (non complet) est d'abord défini, puis un planificateur global (complet) est construit à partir de ce planificateur local. Les résultats obtenus sont illustrés par des expérimentations en simulation et sur véhicule.