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.

Les interfaces haptiques sont des dispositifs relativement récents issus du monde de la robotique et de l'informatique, qui permettent de générer des retours sensoriels à destination de l'utilisateur. Or, il est difficile à l'heure actuelle d'identifier avec précision les influences de ces retours sensoriels sur la réalisation de tâches dans lesquelles ils se trouvent appliqués. Par exemple, pouvons nous utiliser ces dispositifs en vue de fournir une aide (ou un guidage) au geste réalisé ? Le fait d'ajouter des informations tactiles modifie-t-il notre perception de la tâche ? Comment le geste d'un chirurgien sera-t-il modifié en présence d'un dispositif haptique dans un simulateur de chirurgie ? Afin d'apporter des éléments de réponse à ces multiples interrogations, nous avons étudié les effets de l'ajout d'interfaces haptiques ou/et tactiles sur le suivi manuel de trajectoires bidimensionnelles ou tridimensionnelles au mode visuel classique de retour d'informations. Ce travail se situe à la frontière de plusieurs disciplines impliquant la compréhension des mécanismes cognitifs de traitement des informations somesthésique multi sensorielles (psychologie cognitive), l'étude du fonctionnement de ces dispositifs et donc la manière dont les informations numériques sont calculées (informatique et robotique) et la mise en œuvre de ces appareils dans une contexte de simulation (réalité virtuelle). Suite à une première partie bibliographique sur les caractéristiques du toucher, les dispositifs haptique et la problématique de guidage haptique, de nombreuses questions relatives à l'analyse de la performance humaine subsistent. Nos premières contributions quant au choix de méthodes d'analyses et des indices liés à la mesure de la performance du geste manuel sont exposées dans la seconde partie de ce rapport. L'étude proprement dite de l'influence des dispositifs haptique a été conduite dans la troisième partie de ce manuscrit, à travers une série d'expérimentations impliquant des trajectoires bidimensionnelles (geste d'écriture) ou tridimensionnelles (en réalité virtuelle ou dans l'utilisation au sein d'un simulateur de chirurgie), différents types de dispositifs haptiques (vibrotactiles ou à retour d'effort) et de multiples tâches (écriture, manipulation dans une configuration de réalité virtuelle ou encore chirurgie de la base du crâne). Ces expérimentations nous ont permis d'apporter une meilleure compréhension des implications des dispositifs haptiques sur le geste manuel en terme de modification des indices haptiques présents et de guidage haptique. La dernière partie de ce rapport intègre nos résultats de recherches dans une discussion transversale, apportant des tentatives de réponses à la problématique du sujet et un certain nombre de perspectives.

Ce travail est développé dans le contexte des projets SESAR et Next-Gen, où de nouvelles applications de la gestion du trafic aérien (ATM) comme le concept de gestion d'opérations en 4D, se sont focalisées sur les opérations basées sur la trajectoire (TBO - Trajectory Based Operations). Ces opérations sont en relation avec l'extension de la flexibilité de la séparation entre avions, et par conséquence, avec l'augmentation de la capacité du trafic aérien. En sachant qu'une évolution des routes fixes et autorisations émises par le contrôle du trafic aérien (ATC - Air Traffic Control) vers des trajectoires flexibles est imminente, en s'appuyant en même temps aux niveaux les plus élevés de l'automatique embarquée, ce travail de recherche s'intéresse aux sujets qui aideront à la transition des systèmes actuels vers les systèmes compatibles avec les nouveaux besoins des TBO. Les principaux axes de recherche de ce manuscrit s'articulent en trois points: La génération de trajectoires en 4D, le guidage en 4D, et l'estimation de la masse d'un avion pour l'optimisation des trajectoires. Concernant la génération des trajectoires, le besoin des utilisateurs d'espaces aériens de planifier leurs routes préférées à partir d'un point d'entrée dans l'espace aérien sans être limités par les configurations existantes est considéré. Une solution particulière pour la génération de trajectoires lisses en 4D à partir de points de contrôle prédéfinis est alors explorée. La méthode proposée s'appuie sur les courbes de Bézier, et elle permet de contrôler la distance euclidienne entre le point de contrôle donné et la trajectoire proposée. Ceci est fait en modifiant la trajectoire de telle façon qu'elle reste à l'intérieur des limites des facteurs de charge, en considérant un compromis entre la courbure de la trajectoire et la vitesse voulue de l'avion, ce qui représente une étape importante dans le chemin vers les TBO. Le guidage précis en 4D améliorera la sûreté en diminuant l'occurrence de quasi-collisions aériennes pour des trajectoires en 4D planifiées en avance. En conséquence, deux autopilotes et deux méthodes de guidage sont développées avec l'objectif de réduire la charge de travail des contrôleurs du trafic aérien associée à un vol. Les techniques de backstepping et feedback linearization sont utilisées pour le pilotage, alors que l'inversion non linéaire directe et indirecte sont adoptées pour le guidage. De plus, l'impact de la connaissance inexacte de la masse de l'avion dans le suivi de trajectoires, ses conséquences dans l'optimisation, la consommation de carburant, et la performance de l'avion, a conduit à l'implémentation d'une estimation embarquée de la masse de l'avion. L'approche créée est basée sur les moindres carrées, en fournissant des estimations de la masse initiale et la masse courante, toutes les deux avec une précision suffisante pour atteindre les objectifs liées aux TBO. Les méthodes proposées dans cette thèse sont examinées en utilisant un modèle à six degrés de liberté, dont les paramètres approchent un appareil du type B737-200 ou A320-200. La simulation est basée sur une modélisation complète et non linéaire de la dynamique des avions de transport incluant des perturbations liées au vent. Des réseaux de neurones sont utilisés pour obtenir les différents coefficients aérodynamiques correspondant aux forces et moments de l'avion. / This work is developed with the perspective of SESAR and Next-Gen projects, where new applications of Air Traffic Management (ATM) such as the Full 4D Management concept, are centered on Trajectory-Based Operations (TBO), deeply related with the extension of the flexibility in separation between aircraft, and hence, with the augmentation of air traffic capacity. Therefore, since a shift from fixed routes and Air Traffic Control (ATC) clearances to flexible trajectories is imminent, while relying on higher levels of onboard automation, the thesis hinges around topics that should enable or ease the transition from current systems to systems compliant with the new expectancies of Trajectory-Based Operations. The main axes of the manuscript can be summarized in three topics: 4D trajectory generation, 4D guidance, and mass estimation for trajectory optimization. Regarding the trajectory generation, the need of airspace users to plan their preferred route from an entry to an exit point of the airspace without being constrained by the existent configurations is considered. Thus, a particular solution for 4D smooth path generation from preexisting control points is explored. The method is based on Bezier curves, and is able to control the Euclidian distance between the given control points and the proposed trajectory. This is done by reshaping the path to remain within load factor limits, taking into account a tradeoff between path curvature and aircraft intended speed, representing a milestone in the road towards Trajectory-Based Operations. It is considered that accurate 4D guidance will improve safety by decreasing the occurrence of near mid-air collisions for planned conflict free 4D trajectories. In consequence, two autopilots and two guidance approaches are developed with the objective of diminishing the workload for air traffic controllers associated to a single flight. The backstepping and feedback linearization techniques are used for attitude control, while direct and indirect nonlinear inversion are adopted for guidance. Furthermore, the impact of inaccurate mass knowledge in trajectory guidance, with consequences in optimization, fuel consumption, and aircraft performance, has led to the implementation of an on-board aircraft mass estimation. The created approach is based on least squares, providing an initial mass estimation, and online computations of the current mass, both with enough accuracy to meet the objectives related to TBO. The methods proposed in this thesis are tested in a six degrees of freedom Matlab model with its parameters chosen similar to an aircraft type B737-200 or A320-200. The simulation is based on a full nonlinear modelling of transport aircraft dynamics under wind disturbances. Trained neural networks are used to obtain the aerodynamic coefficients corresponding the aircraft forces and moments.

La thèse se place dans le contexte du programme de physique prévu auprès du collisionneur Beijing Electron Positron Collider II, pour lequel l'expérience BESIII (Beijing Electron Spectrometer III) doit subir une jouvence. Mon travail concerne l'amélioration des performances de la trajectométrie centrale de l'expérience, en explorant une nouvelle approche utilisant les capteurs à pixels CMOS (CPS) en remplacement partiel de la chambre à dérive actuelle. Il est validé, qu'un pixel de 39.0X50.8 µm2 permet d'atteindre une résolution spatiale ~10 µm. Cette confirmation ouvre la voie pour le développement d'échelle de grande longueur. Un logiciel générique proposant une stratégie d'optimisation pour un trajectomètre pixellisé a été mis au point et appliqué au cas particulier du BESIII. Il a permis de montrer qu'une configuration à trois couches optimise la résolution sur les trajectoire alors qu'une option incluant une couche double-face atteint une efficacité de reconstruction supérieure. / The thesis addresses the upcoming particle physics program foreseen at the Beijing Electron Positron Collider II, for which the Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) is being upgraded. The work presented focused on the upgrade of the central tracker of the experiment by exploring the possibilities offered by a new approach using CMOS Pixel Sensors (CPS) instead of the present gas drift chamber. The performance of CPS with a larger pixel (39.0X50.8 µm2) and a lower power consumption has been validated, which will help to develop long ladders. A general strategy and software to optimise the design of a barrel pixelated tracker has also been developed, and its application on the BESIII silicon tracker indicates that the layout of three evenly placed single-sided layers is favoured by BESIII physics for the best momentum resolution, with an option using one double-sided ladder to achieve a higher tracking efficiency.

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.

Les avancements des technologies de l'information et des systèmes de communication ont permis le développement d'une grande variété d'applications et de services de géolocalisation. Les systèmes de positionnement par satellites figurent parmi les solutions principales de localisation. Dans des environnements difficiles (par exemples, les canyons urbains ou à l'intérieur des bâtiments), ces solutions ne fournissent pas une bonne précision, ou même deviennent indisponibles. Afin d'offrir des solutions de localisation précises et disponibles quelque soit l'environnement, les systèmes de communication sans fil ont été utilisés, où plusieurs paramètres topo-dépendants des signaux transmis peuvent être mesurés et exploités (par exemple, le temps d'arrivée (ToA), la puissance du signal reçu (RSS)). Dans ce travail, la localisation dans les systèmes sans fil est étudié d¿un point de vue traitement statistique du signal, et en explorant deux axes. Le premier axe concerne la localisation coopérative appliquée aux réseaux ad-hoc, où les différents n¿uds effectuent des mesures de distance par paire (c.à.d. ToA ou RSS) afin d'estimer simultanément leurs positions. Les conditions de solvabilité unique sont étudiées en s'appuyant sur les deux approches de la rigidité graphique et la programmation semi-définie, et ainsi les conditions d'identifiabilité sont déduites. Les solutions d'estimation de la position sont considérées en se concentrant sur l'estimation probabiliste et son application dans des champs aléatoires de Markov et ce en utilisant l¿algorithme de propagation de croyance non-paramétrique (NBP). Le deuxième axe concerne la poursuite des terminaux mobiles en se basant sur des mesures RSS. Ces mesures sont affectées par un phénomène de masquage (shadowing). L'amélioration apportée à la précision de positionnement par la connaissance des cartes de shadowing est étudiée. La solution classique pour l'obtention de ces cartes est le fingerprinting, qui peut être coûteux en temps de collecte de mesures. Des solutions sont développées afin de surmonter ces difficultés. Plusieurs solutions sont proposées et étudiées par des simulations de Monte Carlo pour différents scénarios d'application et de déploiement, et plusieurs résultats théoriques et pratiques sont obtenus.