Cette thèse propose une stratégie de contrôle avancée pour guider une flotte d'aéronefs sans pilote (UAV) dans un environnement à la fois stochastique et dynamique. Pour ce faire, un simulateur de vol 3D a été développé avec MATLAB® pour tester les algorithmes de la stratégie de guidage en fonctions de différents scénarios. L'objectif des missions simulées est de s'assurer que chaque UAV intercepte une cible ellipsoïdale mobile tout en évitant une panoplie d'obstacles ellipsoïdaux mobiles détectés en route. Les UAVs situés à l'intérieur des limites de communication peuvent coopérer afin d'améliorer leurs performances au cours de la mission. Le simulateur a été conçu de façon à ce que les UAV soient dotés de capteurs et d'appareils de communication de portée limitée. De plus, chaque UAV possède un pilote automatique qui stabilise l'aéronef en vol et un planificateur de trajectoires qui génère les commandes à envoyer au pilote automatique. Au coeur du planificateur de trajectoires se trouve un contrôleur prédictif à horizon fuyant qui détermine les commandes à envoyer à l'UAV. Ces commandes optimisent un critère de performance assujetti à des contraintes. Le critère de performance est conçu de sorte que les UAV atteignent les objectifs de la mission, alors que les contraintes assurent que les commandes générées adhèrent aux limites de manoeuvrabilité de l'aéronef. La planification de trajectoires pour UAV opérant dans un environnement dynamique et stochastique dépend fortement des déplacements anticipés des objets (obstacle, cible). Un filtre de Kalman étendu est donc utilisé pour prédire les trajectoires les plus probables des objets à partir de leurs états estimés. Des stratégies de poursuite et d'évitement ont aussi été développées en fonction des trajectoires prédites des objets détectés. Pour des raisons de sécurité, la conception de stratégies d'évitement de collision à la fois efficaces et robustes est primordiale au guidage d'UAV. Une nouvelle stratégie d'évitement d'obstacles par approche probabiliste a donc été développée. La méthode cherche à minimiser la probabilité de collision entre l'UAV et tous ses obstacles détectés sur l'horizon de prédiction, tout en s'assurant que, à chaque pas de prédiction, la probabilité de collision entre l'UAV et chacun de ses obstacles détectés ne surpasse pas un seuil prescrit. Des simulations sont présentées au cours de cette thèse pour démontrer l'efficacité des algorithmes proposés.

Le projet consiste à développer un algorithme de guidage permettant à un véhicule aérien autonome (UAV) stabilisé de respecter des contraintes reliées à la mission, appelées contraintes terminales. Les contraintes visées sont l'orientation de la trajectoire et la vitesse du véhicule lors de l'atteinte de la cible, ainsi que le temps d'arrivée à cette cible. Deux approches ont été testées. La première consiste à utiliser des véhicules virtuels pour simuler le comportement d'un véhicule réel en fonction des commandes appliquées. Cet algorithme est cependant limité au respect du temps d'arrivée. La deuxième stratégie consiste à contrôler le véhicule afin d'atteindre une cible virtuelle en mouvement rectiligne qui possède la vitesse et l'orientation souhaitées, et qui croise la cible réelle au temps d'arrivée demandé. La seconde approche a été testé avec succès à l'aide d'un système "Hardware-In-the-Loop" (HIL).

Ce mémoire présente la conception d’un mécanisme parallèle passif élastique utilisé afin de contrôler un robot sériel à 5 degrés de liberté de façon sécuritaire et intuitive. Ce mémoire présente deux articles qui ont été écrits dans le cadre du projet et qui présentent dans un premier temps l’algorithme de contrôle sur lequel le concept est basé, et dans un deuxième temps le prototype du mécanisme passif servant à détecter les mouvements. L’algorithme de contrôle est inspiré par le concept de manipulateur macro/mini où l’utilisateur interagit avec un mécanisme passif à faible impédance afin de contrôler le mouvement d’un mécanisme actionné qui a une plus grande impédance. Le concept, déjà utilisé pour des manipulateurs de type portique, est étendu à un robot sériel à plusieurs degrés de liberté. L’algorithme utilise une mesure de déplacement du mini-manipulateur passif afin d’appliquer des couples aux moteurs du macromainpulateur actionné. Afin de détecter les déplacements, un capteur à 6 degrés de liberté est conçu. L’architecture du capteur, qui est basée sur la platforme de Gough-Stewart, consiste en un mécanisme parallèle assemblé sur une membrure du robot sériel. Des résultats expérimentaux sont présentés. / This thesis presents the design and experimental validation of a passive elastic parallel mechanism used to control intuitively and safely a five-degree-of-freedom serial robot. The thesis presents two articles which were written in the course of the project. The articles present, firstly, the control algorithm which is the basis of the concept, and secondly, the mechanical design of the passive mechanism. The algorithm is inspired from the macro/mini architecture where the human user interacts with a lowimpedance passive mechanism in order to control the motion of a larger actuated mechanism which has a higher impedance. This concept, used on gantry manipulators, is extended to a serial robot with multiple degrees of freedom. The algorithm uses a displacement measurement from the passive mechanism in order to compute and apply torques to the actuated mechanism. In order to measure the displacements, a passive six-degree-of-freedom mechanism is designed. The architecture of the sensor, based on the Gough-Stewart platform, is in fact a passive parallel mechanism mounted around the link of a serial robot. Experimental results are provided.

Les Tryphons, tout comme leurs prédécesseurs du projet [ VOILES / The Tryphons and their predecessors from the [ VOILES | SAILS ] project are large cubic indoor blimps used autonomously or in remote control mode. Each of these aerobot is equipped with a main micro-computer on-board, a variety of sensors and a wireless communication interface. From a mechanical engineering point of view, the unique shape of these robots and the constraint of their original application field makes them the subject of a novel development path in the study of the dynamics and the flight control. Among the issues that this study had to deal with the focus was put on circuits, wires and connectors reliability, batteries manipulation and fixation while hovering above people, complex manual equilibration of the yaw and pitch moments, complex calibration of the controller's parameters before each performance. The research performed during this Master's degree focused on three main objectives: 1. To develop a numerical dynamic model of the robots in order to determine the critical aspects of the design and how to enhance their robustness. 2. To analyze the electromechanical components of the robots and to modify their design to allow long-lasting and repetitive public performances. 3. To select the appropriate optimal method of positioning in an indoor theater environment for robustness and maximum autonomy. This study demonstrates that the mechanical robustness of these aerobots can be achieved by a new design of the circuits and of the wiring, which integrates them to the structure, and by new custom battery fixations. For the control robustness, a modular approach led to multiple user-selectable controllers. The user can choose a controller and adapt its parameters to find the best fit for each specific situation. A new controller was also developed, which ensures a complete control of the six degrees of freedom by dead reckoning. This was achieved through the use of accelerometers, 3 axis magnetometer, an altimeter and a camera. / Les Tryphons, tout comme leurs prédécesseurs du projet [ VOILES | SAILS ], sont des aérostats intérieurs de forme cubique, autonomes ou pilotés. Ils sont tous équipés d'un micro-ordinateur de bord, de différents capteurs et d'une interface de communication sans fil. D'un point de vue mécanique, la géométrie unique et le domaine d'application original des Tryphons en font un sujet de recherche nouveau pour l'étude de la dynamique du vol et de son contrôle. Parmi les problèmes concernés par cette étude, l'emphase a été portée sur la fiabilité des circuits, câbles et connecteurs, la manipulation et la fixation des batteries pour des vols au-dessus d'une foule, l'équilibrage manuel complexe des moments d'assiette longitudinale et de gîte, la calibration complexe des nombreux paramètres du contrôleur à chaque performance. Dans le cadre de cette maîtrise les objectifs de recherche et le contenu de cette thèse couvrent : 1. Le développement d'un modèle dynamique virtuel des robots permettant de cerner les aspects critiques de la fiabilité et de la robustesse de leurs systèmes. Ce modèle est d'abord développé de manière théorique, en se basant sur la littérature pertinente, principalement du domaine des aérostats extérieurs. Ce modèle, comprenant une approximation des effets aérodynamiques, est optimisé au moyen de tests sur le robot. Grâce au modèle optimisé, différents facteurs, comme le positionnement d'équipement en différents endroits sur la structure et le rapprochement du centre de masse et du centroïde, sont étudiés numériquement. 2. L'analyse de la robustesse électro-mécanique des robots pour des interactions prolongées et répétitives. Cette étude se base principalement sur l'expertise empirique des divers intervenants ayant utilisé ces robots dans les dernières performances publiques. Les éléments critiques du design électro-mécanique sont identifiés puis leur conception est revue afin d'en augmenter la robustesse. 3. L'analyse de la méthode de positionnement absolue en salle de spectacle la plus robuste qui conserve un maximum d'autonomie du robot. En se référant à la littérature pertinente, et tout en considérant le temps limité de cette recherche, le système de positionnement complètement embarqué le plus prometteur a été sélectionné et développé. Les résultats de tests sur un partie du système sont présentés. Il est démontré dans cette étude que la robustesse mécanique, dans le contexte de ce projet, est atteinte en concevant des circuits et leur filage solidaires à la structure et des supports de batteries sur mesure. La robustesse au niveau du contrôle est quant à elle améliorée en permettant aisément à l'usager de passer d'un mode de contrôle à un autre afin de rapidement en ajuster les paramètres et de trouver le mode le mieux adapté à chaque situation. En terme de contrôle une nouvelle approche a permis de positionner les éléments nécessaires à un contrôle complet des six degrés de liberté en navigation à l'estime. Un ensemble de capteurs comprenant un accéléromètre, un magnétomètre 3 axes, un altimètre et une caméra permet d'obtenir suffisamment de données pour accomplir cette tâche.

L'objectif principal de ce projet de maîtrise est de développer un algorithme de commande prédictive permettant aux aéronefs sans pilote (UAVs) de se rendre à des cibles immobiles dont les positions sont connues. Il faut toutefois que les aéronefs évitent, en cours de route, des obstacles ellipsoïdaux statiques qui sont détectés par les aéronefs lorsqu'ils en sont assez près. De plus, l'information sur les obstacles détectés doit ^etre transmisse aux autres aéronefs. Pour chacun de ces aéronefs, l'information est reçue seulement s'il est à portée de communication. Il est présumé que chaque aéronef possède un pilote automatique, système de commande à bord, qui le stabilise. Ainsi, l'algorithme doit déterminer les commandes à transmettre au pilote automatique. L'algorithme développé a été testé avec succès en simulation et l'aide d'un système "Hardware-In-the-Loop" (HIL). / The main objective of this master's project is to develop a predictive control algorithm that will allow unmanned aerial vehicles (UAVs) to intercept static targets of known position. UAVs must however avoid static ellipsoidal obstacles detected on-route, when they are in close proximity to the aircrafts. Information on the detected obstacles must also be transmitted to fellow UAVs. Each aircraft can receive information from another aircraft, only if they are in communication range. Moreover, it is assumed that each aircraft is equipped with an autopilot (on-board control device) to stabilize the UAV in-flight. The predictive control algorithm must thus determine the commands to transmit to the autopilot. The developed algorithm was tested in simulation and with a Hardware-In-the-Loop (HIL) system, both of which yielded successful results.

Cette thèse s'attarde sur plusieurs aspects de la collaboration humain-robot, dont le développement d'interfaces de contrôle, la conception de robots plus sécuritaires ainsi que le développement d'algorithmes de contrôle. Le tout est réparti sur 7 chapitres. Le premier chapitre présente une brève introduction ainsi que la méthodologie employée au cours de la thèse. Le deuxième chapitre présente une méthode d'équilibrage statique par contrepoids. Une transmission hydraulique permet de déporter facilement le contrepoids à l'extérieur de l'espace de travail du système équilibré. L'utilisation de cylindres à membrane permet une transmission fluide avec un minimum de friction. Dans le troisième chapitre, nous exploitons ce principe d'équilibrage pour développer un bras de robot sériel à 7 ddls. Deux mécanismes d'équilibrage sont proposés et testés d'abord sur des bancs d'essai puis sur le prototype final. Un banc d'équilibrage à deux plateaux permet d'ajuster la pression des cylindres avec une seule charge mobile pour s'adapter à la masse soulevée par le bras. Dans le quatrième chapitre, nous développons un algorithme de commande exploitant la redondance du bras développé précédemment. Puisque les critères courants d'exploitation de la redondance dépendent de la situation, nous laissons le soin à l'opérateur de gérer lui-même cette redondance. Notre algorithme implémente une commande standard en admittance qui combat les perturbations indésirables à l'effecteur. Cependant, elle permet aux perturbations qui n'affectent pas la position de l'effecteur de modifier la configuration du robot. Le cinquième chapitre présente le développement d'un capteur tactile à base de silicone et noir de carbone. Les propriétés du mélange de silicone et noir de carbone sont étudiées afin d'optimiser la sensibilité du matériau. Nous proposons ensuite un modèle mathématique de la piézorésistivité du matériau afin d'estimer la pression appliquée et nous présentons des méthodes de fabrication du capteur et d'acquisition des signaux. Dans le sixième chapitre, nous développons un système de freinage passif adapté aux systèmes de ponts roulants. Le système permet d'appliquer à la charge transportée une force de freinage proportionnelle à sa vitesse. Une interface de contrôle intuitive permet à l'opérateur d'activer le système au besoin. Le septième chapitre présente une brève conclusion de la thèse.

Le sujet de cette thèse s'inscrit dans le cadre des systèmes tolérants aux défauts sous contraintes avec prise en considération de la dégradation des performances. L'objectif principal de ce travail consiste à considérer la gestion des références comme une partie intégrante du système de commande tolérant aux défauts. Dans la littérature, la plupart des méthodes actives de tolérance aux défauts supposent que le recouvrement du système nominal est toujours possible et que les performances nominales sont toujours atteignables. Cette condition est peu réaliste dans la pratique puisque plusieurs éléments empêchent le système reconfiguré de revenir à son mode de fonctionnement nominal. Dans le domaine industriel, l'ensemble des contraintes du système est un handicap majeur qui limite le fonctionnement nominal d'un système à des plages fonctionnelles bien définies. Ces plages fonctionnelles sont énormément réduites après l'apparition de certains défauts dits sévères et qui affectent généralement les actionneurs. Par conséquent, cette hypothèse de recouvrement des performances nominales dans le cas des systèmes sous contraintes limite l'ensemble des défauts traités par ces méthodes classiques à quelques défauts dits mineurs. Afin de remédier a ce problème, une architecture de reconfiguration structurée en deux niveaux est proposée. Le premier concerne les algorithmes classiques de reconfiguration en agissant sur un contrôleur reconfigurable, et le deuxième agit sur le module de gestion des références conçu à base d'un gouverneur de référence avec offset. La connaissance exacte du modèle en post-défaut nécessite un système de détection et diagnostic de défaut qui permet d'estimer l'amplitude de défaut, ce qui conduit à la synthèse d'un observateur adaptatif d'estimation de défaut à base de LMI. Afin de synchroniser le déroulement du processus FTC, deux indices ont été conçus. Le premier indice porte sur le mécanisme de décision permettant de sélectionner le/les niveau(x) de reconfiguration nécessaire(s) à l'accommodation du défaut. Le deuxième indice permet d'évaluer le niveau de dégradation du système " post-défaut ". Une dégradation de performance est toujours admise tant que les consignes de sécurité sont respectées.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte des systèmes embarqués qui sont qualifiés de complexes car leur développement nécessite une expertise pluridisciplinaire. Une stratégie de développement s'avère incontournable pour concevoir ces systèmes. Cette complexité est encore plus sévère dans le domaine du développement des systèmes embarqués pour UAV.Nous proposons une approche de développement orientés systèmes embarqués basés COTS. Cette démarche combine plusieurs méthodes issues du génie logiciel classique que nous avons adapté aux systèmes embarqués. Nous avons appliqué cette approche pour développer un système de capteurs embarqués pour un micro-UAV à voilures fixes.Le système embarqué développé a été déployé sur un robot classique, une bicyclette et un modèle réduit d'avion. L'objectif est de valider la consistance des données capteurs, compte tenu de la disparité des dynamiques entres ces systèmes. Ces expériences ont permis de mettre en évidence des similitudes théoriques entre ces 3 dynamiques. L'objectif est de pouvoir valider des systèmes embarqués pour UAV sur des plateformes à moindre coût et à moindre complexité, tout en garantissant la consistance des données capteurs et leur interprétation par rapport aux trois plateformes. Nous avons construit, aussi, une plateforme de simulation dont l’objectif est de supporter l’approche de développement proposée. Nous avons utilisé cette plateforme pour concevoir un système de contrôle, guidage et navigation pour un UAV à voilures fixes. Ces applications montrent, ainsi, l’efficacité de l’approche de développement proposée. / This thesis tackles the problem of embedded system design, which are often qualified as complex systems because their development requires multidisciplinary expertise. A development strategy is then essential to design these systems. As an application, we focused on UAV embedded systems, which show very severe development constraints.We propose a development approach oriented COTS-based embedded systems. This approach combines several methods from classic software engineering filed that we have adapted for embedded systems. We applied this approach to develop an embedded sensors system for a micro fixed wings UAVs.The designed embedded system has been deployed on an UAV, a mobile and a bicycle. The aim is to validate the UAV embedded system using a lower cost platforms and with less complexity, while ensuring sensors data consistency and interpretation regarding the dynamic of the three platforms. These experiments highlight the theoretical similarities between those three dynamics. Furthermore, we built a simulation platform that aims to support the proposed development approach. We used this platform to design a control, guidance and navigation system for a fixed wings UAV. These applications show the effectiveness of the proposed development approach.

Amener les robots à partager le même environnement que les humains apparaît l'évolution naturelle vers une robotique plus avancée, à mi-chemin entre la robotique industrielle d'aujourd'hui et les robots humanoïdes versatiles de demain. Cette éventuelle coexistence a le potentiel immense de produire un impact considérable sur plusieurs domaines liés à la vie de tous les jours tels que 1) la réhabilitation, où des thérapeutes et des robots pourront collaborer et offrir du soutien aux patients, 2) les dispositifs d'assistance robotique envers les personnes âgées ou handicapées, pour faciliter les tâches quotidiennes et 3) la chirurgie assistée. Outre ces trois domaines d'application, il est fort possible que l'impact le plus significatif de l'implantation d'un tel concept se fera au niveau du domaine manufacturier. Dans ce domaine, une synergie efficace entre l'humain et le robot peut être envisagée en combinant les formidables capacités humaines de raisonnement et d'adaptation face aux environnements non structurés avec l'inépuisable force d'un robot. Toutefois, la création d'une telle génération de robots coopératifs présente plusieurs défis, tant sur les plans mécaniques et sensoriels qu'au niveau de la commande. Cette thèse amène des réponses concrètes au défi que constitue la commande des robots destinés à interagir et coopérer avec les humains, proposant des solutions aux problèmes des mouvements coopératifs ou encore à la réaction aux collisions. Elle présente notamment une nouvelle méthode de commande basée sur l'analyse des intentions humaines en temps réel, permettant la production de mouvements coopératifs beaucoup plus intuitifs pour l'humain. Elle s'attaque aussi au problème de la stabilité du contrôleur, reconnu comme une difficulté inhérente aux robots évoluant en mouvement contraint. En effet, étant données les propriétés physiques variables de l'humain, telle la rigidité de ses bras, il est possible qu'un robot devienne instable subitement lorsque mis en contact direct avec celui-ci, engendrant ainsi d'évidents problèmes de sécurité. Au-delà des algorithmes de commande de haut niveau, cette thèse aborde de nouvelles techniques d'asservissement qui sont mieux adaptées à la mécanique particulière de ces robots. En effet, dans le but de coexister avec les humains sans risquer de les blesser, il est entendu que ces robots devront être conçus différemment, de manière à réduire leur impédance mécanique et leur capacité de transmettre de la puissance en cas de collision. Dans de telles circonstances, les régulateurs linéaires conventionnels seront bien peu efficaces dans le suivi des consignes demandées. La méthode introduite est une adaptation de la commande prédictive, bien connue dans l'industrie chimique, à la commande des manipulateurs.

Les systèmes de commande en réseau (SCR) sont de plus en plus répandus dans le milieu industriel. Ils procurent en effet de nombreux avantages en termes de coût, de flexibilité, de maintenance, etc. Cependant,l'introduction d'un réseau, qui par nature est composé de ressources partagées, impacte considérablement les performances temporelles des systèmes de commande. Un signal de commande par exemple n'arrive à destination qu'après un certain délai. Pour s'assurer que ce délai soit inférieur à un certain seuil de sécurité ou du respect d'autres contraintes temps réels de ces systèmes, une évaluation au préalable, avant la mise en service d'un SCR, s'avère donc nécessaire. Dans nos travaux de recherche, nous nous intéressons à la réactivité des SCR client/serveur et évaluons leur temps de réponse.Notre contribution dans ces travaux est d'adopter une approche analytique à base de l'algèbre (Max,+) et remédier aux problèmes des méthodes existantes comme l'explosion combinatoire de la vérification formelle ou de la non exhaustivité des approches par simulation. Après modélisation des SCR client/serveur à l'aide de Graphe d'Evénements Temporisés puis représentation de leurs dynamiques à l'aides d'équations (Max,+) linéaires, nous obtenons des formules de calcul direct du temps de réponse. Plus précisément, nous adoptons une analyse déterministe pour calculer les bornes, minimale et maximale, du temps de réponse puis une analyse stochastique pour calculer la fonction de sa distribution. De plus, nous prenons en compte dans nos travaux tous les délais élémentaires qui composent le temps de réponse, y compris les délais de bout-en-bout, dus à la traversée du seul réseau de communication. Ce dernier étant naturellement composé de ressources partagées, rendant l'utilisation des modèles (Max,+) classiques impossibles, nous introduisons une nouvelle approche de modélisation à base du formalisme (Max,+) mais prenant en compte le concept de conflit ou ressource partagée.L'exemple d'un réseau de type Ethernet est considéré pour évaluer ces délais de bout-en-bout. Par ailleurs, cette nouvelle méthode (Max,+) est assez générique et reste applicable à de nombreux systèmes impliquant des ressources partagées, au delà des seuls réseaux de communication. Enfin, pour vérifier la validité des résultats obtenus dans nos travaux, notamment la formule de la borne maximale du temps de réponse, une compagne de mesures expérimentales sont menées sur une plateforme dédiée. Différentes configurations et conditions de trafic dans un réseau Ethernet sont considérées.