Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans la cadre de la planification de trajectoires optimales en présence d'obstacles pour des robots mobiles de type voiture et pour des robots à pattes. Le modèle de robot de type voiture étudié est celui de Dubins. Il s'agit grossièrement d'une voiture se déplaçant en marche avant uniquement et dont le rayon de braquage est minoré par 1. Nous avons considéré le problème du calcul d'une enveloppe convexe de courbure bornée d'un ensemble S de points du plan, c'est-à-dire d'un ensemble contenant S et dont le bord est de courbure bornée et de périmètre minimal. Nous montrons que si le rayon du plus petit disque contenant S est supérieur à 1, une telle enveloppe est unique. Nous montrons que le calcul d'une enveloppe convexe de courbure bornée se ramène à un problème d'optimisation convexe ou à la résolution d'un ensemble de systèmes algébriques. Nous proposons également un algorithme exact polynomial pour le calcul de trajectoires optimales en longueur lorsque le robot se déplace en présence d'obstacles dont les bords sont de courbure bornée et constitués de segments de droite et d'arcs de cercle. De tels obstacles peuvent être obtenu comme enveloppes convexes de courbure bornée d'obstacles polygonaux. L'algorithme calcule un graphe et recherche un plus court chemin dans ce graphe. Le calcul de ce graphe est effectué grâce à des techniques de géométrie algorithmique et par la résolution de systèmes algébriques dont nous montrons, à l'aide de résultants, qu'ils ont un nombre fini de solutions. Nous avons également étudié le problème de la planification de trajectoires pour des robots à pattes dont le corps est ponctuel et dont toutes les pattes sont attachées au même point. Les pattes du robot ont une longueur bornée et ne sont autorisées à se poser que dans certaines régions polygonales du plan. Nous présentons un algorithme quasi optimal pour le calcul de l'ensemble des positions du corps du robot en équilibre stable. Par une transformation judicieuse, nous nous ramenons au calcul de l'espace libre d'un robot de la forme d'un demi disque se déplaçant en présence d'obstacles.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la robotique d'assistance aux personnes handicapées. L'objectif est l'exploitation de la redondance générée par l'association d'un bras manipulateur et d'une plate-forme mobile non holonome. Nous avons modélisé le système et choisi d'utiliser le concept de manipulabilité pour placer le système dans la meilleure configuration en termes de capacité de manipulation pour effectuer la tâche opérationnelle. Nous avons proposé une nouvelle mesure de manipulabilité directionnelle qui inclut des informations sur la direction de la tâche. Pour prendre en compte la mobilité de la plate-forme dans la mesure de la capacité de manipulation, nous avons introduit une normalisation pour résoudre le problème lié aux unités de mesures et pour inclure les contraintes sur les limites en vitesse des différents actionneurs. Afin de respecter les principes qui permettent de faciliter la coopération homme-machine, nous nous sommes inspirés du comportement humain pour établir une stratégie décomposée en phases et zones. L'ensemble de ces apports a été implanté sur un manipulateur mobile réel.

La nature des missions qui sont aujourd'hui envisagées en Robotique suppose de plus en plus un espace de travail étendu du robot. Cette extension va de pair avec la combinaison de moyens de manipulation et de moyens de locomotion et c'est la raison d'être des manipulateurs mobiles. Parmi ces systèmes, qui prennent des formes diverses, nous distinguons les manipulateurs mobiles à roues qui sont la combinaison d'une plateforme à roues et d'un bras manipulateur. Ce mémoire présente notre contribution à l'étude de leur commande coordonnée (le système est vu comme un tout) au niveau opérationnel et plus particulièrement en vue de missions complexes qui nécessitent l'enchaînement dynamique de tâches de natures différentes : suivi de trajectoire, contrôle d'effort. En nous basant sur la forme générique des modèles cinématiques de ces systèmes, nous avons développé un modèle dynamique unifié, directement exploitable pour les techniques de commande à couple calculé. Afin de tenir compte des contraintes secondaires intrinsèques à tout système robotique mais aussi des contraintes imposées par l'environnement (obstacles par exemple), nous proposons une structure de commande qui permet l'intégration des lois de commande opérationnelle tout en assurant, notamment grâce à l'exploitation de la redondance du système, le respect des différentes contraintes. Cette structure gère l'enchaînement dynamique des tâches à réaliser et permet, qu'elles soient planifiées ou générés en temps réel, l'adaptation des consignes pour la gestion des incertitudes sur la connaissance de l'environnement mais aussi sur le déroulement de la mission. L'approche proposée a été validée en simulation et expérimentalement sur le robot H2Bis+GT6A de l'équipe RIA du LAAS.

Cette thèse adresse le problème suivant soit un robot mobile à roues equipé de capteurs, supposés parfaits, renvoyant en temps réel sa localisation. Notre objectif est de construire des lois de commande permettant à autonome. Nous avons dans un premier temps supposé que les roues roulent sans glisser sur le sol. Ceci est réaliste à vitesse modérée et sur des terrains de bonne adhérence. Les possibilités d'évolution des robots étant alors contraintes, ces systèmes sont clairement non-holonomes. Leur modélisation est détaillée. Elle montre que, dans l'optique de la synthèse de lois de commande, l'ensemble des robots mobiles à roues constitue 5 classes d'équivalence. La poursuite d'une trajectoire mobile et la stabilisation sur une configuration de repos sont, pour les systèmes non-holonomes, 2 problèmes distincts. Les solutions classiques peuvent être utilisées pour 4 classes de robots. Celle regroupant les robots équipés de plu sieurs roues commandées en orientation et en rotation présente une difficulté: le modèle de ces systèmes comporte des singularités. Nous avons construit, pour la poursuite, des lois de linéarisation par bouclage d'état dynamique, et pour la stabilisation, des lois de bouclage de l'état et du temps, qui garantissent que ces robots ne passent pas par leurs singularités. Enfin, pour la poursuite de trajectoires mobiles se terminant par une configuration de repos, nous avons proposé un schéma de commande hybride exploitant ces lois. Indépendamment, nous avons aussi analysé le taux de convergence de bouclages de l'état et du temps. Afin d'aborder la commande de robots à des vitesses élevées et/ou avec une mauvaise adhérence, nous avons dans un second temps relâché l'hypothèse de non-glissement. Une seconde modélisation, exploitant la description du contact d'un pneumatique avec le sol, est proposée. Celle-ci étant indéfinie à vitesse nulle, seule la poursuite d'une trajectoire mobile est envisagée. Nous avons proposé des lois de linéarisation partielle par bouclage d'état statique, et un schéma adaptatif afin qu'elles soient robustes pour les conditions d'adhérence.

Cette thèse traite de la modélisation dynamique des systèmes non-holonomes intermittents et de son application à la bicyclette 3D de Whipple. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur un ensemble d'outils en mécanique géométrique (réduction Lagrangienne et projection dans le noyau des contraintes cinématiques essentiellement). Dans un premier temps, nous avons traité le cas de la bicyclette persistante. En définissant l'espace des configurations du vélo comme un fibré principal de groupe structural SE(3), nous avons obtenu un modèle des points de contact et des contraintes exempt de toute non-linéarité associée à un paramétrage de type coordonnées généralisées. Cette formulation nous a permis d'obtenir le noyau des contraintes sous une forme symbolique sans singularité. Nous avons alors produit un modèle symbolique de la dynamique de la bicyclette persistante en utilisant la méthode de réduction par projection de sa dynamique libre dans le sous espace de ses vitesses admissibles. Cette approche étend le cadre général mis au point ces dernières années pour la locomotion bio-inspirée. Profitant de la structure de SE(3), un modèle de la bicyclette intermittente a été proposé dans le cadre d'une approche événementielle. L'adoption du modèle physique de l'impact plastique, nous a permis d'étendre la méthode de réduction par projection au cas intermittent. Nous avons alors comparé notre approche "réduite" à l'approche classiquement utilisée et avons montré qu'elles partageaient une interprétation géométrique commune. Ces outils ont finalement été appliqués à la simulation de la bicyclette intermittente afin d'illustrer la richesse de sa dynamique. / This thesis deals with the dynamic modelling of intermittent non-holonomic systems andits application to the Whipple 3D bicycle. To that end, we relied on a set of tools in geometric mechanics (mainly Lagrangian reduction and the projection in the kernel of the kinematic constraints). In the first instance, we have addressed the case of the bicycle subjected to persistent contacts. By defining the space of the bicycle configurations as a principal fibre bundle with SE(3) as structural group, we obtained a model of the contact points and of the constraints free of any non-linearities associated with a generalized coordinate type configuration. This formulation allowed us to obtain the kernel of the constraints in a symbolic form without singularity. We then produced a symbolic model of the dynamics ofthe bicycle subjected to persistent contacts using the projection reduction method of its free dynamics in the subspace of its permissible speeds. This approach extends the general framework developed in recent years for bio-inspired locomotion. Taking advantage of the structure of SE(3), a model of the intermittent bicycle was proposed as part of an event-driven approach. Moreover, the adoption ofthe physical model of plastic impact has allowed us to extend the projection reduction method to the intermittent case. We then compared our "reduced" approach to the conventional approach and showed that they shared a common geometric interpretation. These tools were finally applied to the simulation of the intermittent bicycle to illustrate its rich dynamics.

L'objectif dans ce travail est d'étudier la locomotion humaine. Notre approche met en évidence le rapport qui existe entre la forme géométrique des trajectoires locomotrices et le modèle cinématique simplifié d'un robot mobile à roues. Ce type de système a déjà été longtemps étudié dans le domaine de la robotique. D'un point de vue purement cinématique, la particularité d'un robot à roues est la contrainte non holonome qui impose au robot de se déplacer toujours selon la tangente à son axe principal. Dans le cas de la marche humaine, les observations nous montrent que les humains marchent vers l'avant et la direction instantanée du corps est tangente à la trajectoire qu'ils réalisent (dû à certains restrictions mécanique, anatomique... du corps au moment de la marche). Ce couplage entre la direction et la position du corps impose une contrainte non holonome parce qu'elle ne restreint pas la dimension de l'espace accessible à partir d'une configuration quelconque. Du point de vue du conducteur, une voiture possède deux commandes : l'accélérateur et le volant. La première question abordée ici peut être formulée de la manière suivante : où se trouve le ''volant'' du corps humain ? Plusieurs repères ont été associés aux différents parties du squelette (tête, tronc et bassin). Dans notre étude expérimentale nous montrons qu'il existe un repère qui prend en compte la nature non holonome de la locomotion humaine et que c'est le tronc qui joue le rôle du "volant". Nous avons validé notre modèle avec une base de données de 1560 trajectoires enregistrées à partir des trajectoires faites par 7 sujets. La deuxième question abordée dans ce travail est la suivante : parmi toutes les trajectoires possibles qui existent pour atteindre une position avec une orientation données, pourquoi l'humain effectue une trajectoire au lieu d'une autre ? Afin de donner une possible réponse à cette question, nous avons fait appel à la commande optimale : les trajectoires ont été choisies sel on un critère à optimiser. Dans cette perspective, le sujet est vu comme un système de commande, donc, la question devient : quel est le critère à optimiser ? est-ce la longueur de la trajectoire ? ou le temps parcouru ? ou la secousse minimale ?... Dans cet étude nous montrons que les trajectoires locomotrices peuvent être approximées par les géodésiques d'un système différentiel minimisant la norme de la commande. Ces géodésiques sont composés de morceaux de clothoides. Une clothoide, ou spirale de Cornu, est une courbe dont la courbure varie linéairement en fonction de l'abscisse curviligne. Nous montrons que le 90% des trajectoires faites par les 7 sujets ont été approximées avec une erreur moyenne de moins de 10cm. Dans la dernière partie de ce travail nous réalisons la synthèse numérique de trajectoires optimales dans l'espace atteignable. Il s'agit de partitionner l'espace des configurations par rapport aux différents types de trajectoires optimales qui peuvent relier l'origine à un point dans cet espace. Deux points appartiennent à une même cellule si les trajectoires parcourues sont de même type. Dans la plupart des cas le passage entre deux cellules adjacentes se fait par une déformation continue des trajectoires. Il est remarquable de noter que les rares cas de discontinuités du modèle proposé correspondent précisément aux changements de stratégies observées chez les sujets.

Au cours des dernières années, les problèmes multi-agents ont été étudiés de manière intensive par la communauté de la théorie du contrôle. L'un des sujets les plus populaires est le problème de consensus où un groupe d'agents parvient à un accord sur la valeur d'un certain paramètre ou d’une variable. Dans ce travail, nous nous concentrons sur le consensus des réseaux d'agents avec une dynamique non linéaire de poursuite de référence. Nous utilisons des interactions sporadiques modélisées par la détection relative, pour traiter le consensus décentralisé des références. La référence est donc utilisée pour alimenter la dynamique de poursuite de chaque agent. L'analyse de stabilité du système globale a nécessitée l'utilisation d'outils théoriques propre de la théorie des systèmes hybrides, en raison de la double nature de l'approche en deux étapes. L'analyse est effectuée en tenant compte de différents scénarios de topologie et interactions. Pour chaque cas, une condition suffisante de stabilité est fournie, en termes de temps minimum autorisé entre deux mises à jour de référence consécutives. Le cadre proposé est appliqué aux missions de rendez-vous et de réalisation de formation pour les robots mobiles non-holonomes. Le même problème est abordé dans le contexte d'une application réelle sur le terrain, à savoir un système de gestion de flotte pour un groupe de véhicules robotisés déployés dans un environnement industriel à des fins de surveillance et de collecte de données. Le développement d'une telle application a été motivé par le fait que cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet FFLOR, développé par le département de recherche technologique du CEA tech. / Over the last years, multi-agents problems have been extensively studied from the control theory community. One of the most popular multi-agents control topics is the consensus problem where a group of agents reaches an agreement over the value of a certain parameter or variable. In this work we focus our attention on the consensus problem of networks of non-linear reference tracking agents. In first place, we use sporadic interactions modeled by relative sensing to deal with the decentralized consensus of the references. The reference is therefore feeded the tracking dynamics of each agent. Differently from existent works, the stability analysis of the overall system required the usage of hybrid systems theory tools, due to dual nature of the two stages approach. The analysis is carried out considering different scenarios of network topology and interactions. For each case a stability sufficient condition in terms of the minimum allowed time between two consecutive reference updates is provided. The proposed framework is applied to the rendez-vous and formation realisation tasks for non-holonomic mobile robots, which appear among the richest research topics in recent years. The same problem is addressed in the context of a real field application, namely a fleet management system for a group of robotic vehicles deployable in an industrial environment for monitoring and data collection purpose. The development of such application was motivated by the fact that this thesis is part of the Future of Factory Lorraine (FFLOR) project, developed by the technological research department of the Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA tech).

Cette thèse se place dans le cadre de la commande des manipulateurs mobiles hybrides holonomes/ non-holonomes, c'est-à-dire <br />des robots constitués d'un bras manipulateur embarqué sur une plate-forme porteuse. L'objectif de <br />ce travail est de fournir un cadre méthodologique pour la synthèse de lois de commande par retour d'état de tels systèmes, en <br />partant du constat qu'une stratégie de coordination entre la plate-forme et le manipulateur requiert génériquement de commander la <br />situation complète de la plate-forme. L'originalité des deux nouvelles approches proposées est de permettre un contrôle coordonné <br />d'une tâche prioritaire de manipulation et d'une tâche secondaire de locomotion, obtenu via la stabilisation pratique <br />de la situation complète de la plate-forme le long d'une trajectoire de référence quelconque.<br /><br />Ces deux méthodes génériques s'appuient sur la fusion de deux outils de commande: <br />l'approche par fonctions de tâches, dédiée au contrôle des bras manipulateurs, et <br />l'approche par fonctions transverses, consacrée à la commande des plate-formes non-holonomes. <br />Différentes applications de suivi de cible valident la flexibilité et la polyvalence de ces <br />approches de commande à travers le choix de plusieurs stratégies de coopération entre <br />manipulation et locomotion.

L'objectif de cette thèse est, d'une part, de fournir des méthodes de planification de mouvements pour les systèmes non-holonomes, et d'autre part, d'étudier la contrôlabilité spectrale pour les équations de Schrödinger linéarisées. Nous avons apporté une double contribution au problème de la planification de mouvements pour les systèmes non-holonomes. Fondé sur la géométrie sous-riemannienne, nous avons conçu un nouvel algorithme qui résout complètement le problème dans un cadre général. Nous avons également proposé une implémentation numérique de la méthode de continuation qui fournit des solutions satisfaisantes au problème de la planification du roulement sur le plan, un exemple classique de systèmes non-holonomes à deux entrées. Nous avons donné des conditions nécessaires et suffisantes de contrôlabilité spectrale en temps fini des équations de Schrödinger linéarisées en dimension 2 et 3. Leur généricité par rapport au domaine a été étudiée par une technique originale basée sur les équations intégrales.

La problématique étudiée dans cette thèse concerne le maintien de l’intégrité de robots mobiles en milieux naturels. L’objectif est de fournir des lois de commande permettant de garantir l’intégrité d’un véhicule lors de déplacements autonomes en milieux naturels à vitesse élevée (5 à 7 m.s -1 ) et plus particulièrement dans le cadre de l’agriculture de précision. L’intégrité s’entend ici au sens large. En effet, l’asservissement des déplacements d’un robot mobile peut générer des consignes nuisant à son intégrité physique, ou à la réalisation de sa tâche (renversement, tête-à-queue, stabilité des commandes, maintien de la précision, etc.). De plus, le déplacement en milieux naturels amène des problématiques liées notamment à des conditions d’adhérence variables et relativement faibles (d’autant plus que la vitesse du véhicule est élevée), ce qui se traduit par de forts glissements des roues sur le sol, ou encore à des géométries de terrains non traversables par le robot. Aussi, cette thèse vise à déterminer en temps réel l’espace de stabilité en terme de commandes admissibles permettant de modérer les actions du robot. Après une présentation des modélisations existantes, et des observateurs permettant l’exploitation de ces modélisations pour la mise en place de loi de commande prédictive en braquage pour le suivi de trajectoire, une nouvelle méthode d’estimation des glissements basé sur une observation cinématique est proposée. Celle-ci permet de répondre aux problématiques de vitesse variable (et notamment du passage de la vitesse par des valeurs nulles) du véhicule et d’observation lors d’un déplacement sans trajectoire de référence. Ce nouvel observateur est primordial pour la suite des développements de cette thèse, puisque la suite des travaux s’intéresse à la modulation de la vitesse du véhicule. Ainsi, dans la suite des travaux, deux lois de commande prédictives agissant sur la vitesse du véhicule ont été mises en place. La première apporte une solution à la problématique de la saturation des actionneurs en braquage, lorsque la vitesse ou les glissements rendent la trajectoire à suivre inadmissible vis-à-vis des capacités physiques du véhicule. La deuxième répond à la problématique de la garantie de la précision du suivi de trajectoire (maintien du véhicule dans un couloir de déplacement). Dans les deux cas la stratégie de commande est similaire : on prédit l’état futur du véhicule en fonction de ses conditions d’évolution actuelle et de conditions d’évolutions futures simulées (obtenues grâce à la simulation de l’évolution d’un modèle dynamique du véhicule) afin de déterminer la valeur de la vitesse optimale pour que les variables cibles (dans un cas la valeur du braquage et dans l’autre l’écart à la trajectoire) respectent les conditions imposées (non-dépassement d’une valeur cible). Les résultats présentés dans ce mémoire ont été réalisés soit en simulations, soit en conditions réelles sur des plateformes robotiques. Il en découle que les algorithmes proposés permettent dans un cas de réduire la vitesse du véhicule pour éviter la saturation du braquage et donc les phénomènes de sur et sous virage qui en découlerait et donc permet de conserver la commandabilité du véhicule. Et dans l’autre cas de garantir que l’écart à la trajectoire reste sous une valeur cible. / This thesis focused on the issue of the preseving of the integrity of mobile robots in off-road conditions. The objective is to provide control laws to guarantee the integrity of a vehicle during autonomous displacements in natural environments at high speed (5 to 7 m.s -1 ) and more particularly in The framework of precision farming. Integrity is here understood in the broad sense. Indeed, control of the movements of a mobile robot can generate orders that affect its physical integrity, or restrains the achievement of its task (rollover, spin, control stability, maintaining accuracy , etc.). Moreover, displacement in natural environments leads to problems linked in particular to relatively variable and relatively low adhesion conditions (especially since the speed of the vehicle is high), which results in strong sliding of wheels on the ground, or to ground geometries that can not be crossed by the robot. This thesis aims to determine in real time the stability space in terms of permissible controls allowing to moderate the actions of the robot. After a presentation of the existing modelings and observers that allow the use of these modelizations for the implementation of predictive control law for trajectory tracking, a new method of estimation of side-slip angles based on a kinematic observation is proposed. It permit to address the problem of variable speed of the vehicle (and in particular the case of zero values) and also to allow the observation during a displacement without reference trajectory. This new observer is essential for the further development of this thesis, since the rest of the work is concerned with the modulation of the speed of the vehicle. So, in the further work, two predictive control laws acting on the speed of the vehicle have been set up. The first one provides a solution to the problem of the saturation of steering actuators, when the speed or side-slip angles make the trajectory inadmissible to follow with respect to the physical capacities of the vehicle. The second one adress the problem of guaranteeing the accuracy of trajectory tracking (keeping the vehicle in a corridor of displacement). In both cases, the control strategy is similar: the future state of the vehicle is predicted according to the current conditions of evolution and the simulated one for the future evolution (obtained by simulating the evolution of dynamics models of the vehicle) in order to determine the value of the optimum speed so that the target variables (in one case the value of the steering and in the other the lateral deviation from the trajectory) comply with the imposed conditions (not exceeding a target value). The results presented in this thesis were realized either in simulations or in real conditions on robotic platforms. It follows that the proposed algorithms make it possible : in one case to reduce the speed of the vehicle in order to avoid the saturation of the steering actuator and therefore the resulting over and under steering phenomena and thus make it possible to preserve the vehicle’s controllability. And in the other case, to ensure that the lateral deviation from the trajectory remains below a target value.