Cette thèse traite de la question du contrôle du mouvement d'engins non-holonomes et sous-actionnés évoluant de manière coordonnée et autonome. Les différentes approches considérées sont le suivi de trajectoire (Trajectory Tracking TT) et le suivi de chemin (path following PF). Une nouvelle méthode de contrôle est proposée. Dénommée Path-Tracking (PT), elle permet de cumuler les avantages de chacune des deux précédentes méthodes, permettant de cumuler la souplesse de la convergence induite par le suivi de chemin avec le respect des contraintes temporelles du suivi de trajectoire. L'étude et la réalisation de la commande démarre avec l'étude du cas du robot nonholonome de type Unicycle' et se base sur les principes de Lyapunov' et de Backstepping'. Ces premiers résultats sont ensuite étendus au cas d'un véhicule sous-marin sous-actionné de type AUV (Autonomous Underwater Vehicle'), en analysant les similarités cinématiques entre ces deux types de véhicules. De plus, il est montré la nécessité de prendre en compte les propriétés dynamiques du système de type AUV, et la condition de Stern dominancy' est établie de façon à garantir que le problème est bien posé et ainsi que la commande soit aisément calculable. Dans la cas d'un système marin sur-actionné, qui peut ainsi effectuer des tâches de navigation au long cours et de positionnement désiré (Station keeping'), une commande hybride est proposée. Enfin, la question du contrôle coordonné d'une formation d'engins marin est abordée. Les colutions de commande pour les taches de suivi de chemin coordonné (coordinated path following') et de coordinated path tracking' sont proposées. Les principes du leader-follower' et la méthode des structures virtuelles sont ainsi traitées dans un cadre de contrôle centralisé, et le cas décentralisé est traité en utilisant certains principes de théorie des graphes. / In this dissertation, the problems of motion control of underactuated autonomous vehicles are addressed,namely trajectory tracking (TT), path following (PF), and novelly proposed path tracking whichblending the PF and TT together in order to achieve smooth spatial convergence and tight temporalperformance as well.The control design is firstly started from the benchmark case of nonholonomic unicycle-type vehicles,where the Lyapunov-based design and backstepping technique are employed, and then it is extendedto the underactuated AUVs based on the similarity between the control inputs of two kinds of vehicles.Moreover, dealing with acceleration of side-slip angle is highlighted and stern-dominant property of AUVsis standing out in order to achieve well-posed control computation. Transitions of motion control fromunderactuated to fully actuated AUVs are also proposed.Finally, coordinated formation control of multiple autonomous vehicles are addressed in two-folds,including coordinated paths following and coordinated paths tracking, based on leader-follower andvirtual structure method respectively under the centralized control framework, and then solved underdecentralized control framework by resorting to algebraic graph theory.

This thesis introduces a new measure of balance for bipedal robotics called the foot placement estimator (FPE). To develop this measure, stability first is defined for a simple biped. A proof of the stability of a simple biped in a controls sense is shown to exist using classical methods for nonlinear systems. With the addition of a contact model, an analytical solution is provided to define the bounds of the region of stability. This provides the basis for the FPE which estimates where the biped must step in order to be stable. By using the FPE in combination with a state machine, complete gait cycles are created without any precalculated trajectories. This includes gait initiation and termination. The bipedal model is then advanced to include more realistic mechanical and environmental models and the FPE approach is verified in a dynamic simulation. From these results, a 5-link, point-foot robot is designed and constructed to provide the final validation that the FPE can be used to provide closed-loop gait control. In addition, this approach is shown to demonstrate significant robustness to external disturbances. Finally, the FPE is shown in experimental results to be an unprecedented estimate of where humans place their feet for walking and jumping, and for stepping in response to an external disturbance.

This thesis introduces a new measure of balance for bipedal robotics called the foot placement estimator (FPE). To develop this measure, stability first is defined for a simple biped. A proof of the stability of a simple biped in a controls sense is shown to exist using classical methods for nonlinear systems. With the addition of a contact model, an analytical solution is provided to define the bounds of the region of stability. This provides the basis for the FPE which estimates where the biped must step in order to be stable. By using the FPE in combination with a state machine, complete gait cycles are created without any precalculated trajectories. This includes gait initiation and termination. The bipedal model is then advanced to include more realistic mechanical and environmental models and the FPE approach is verified in a dynamic simulation. From these results, a 5-link, point-foot robot is designed and constructed to provide the final validation that the FPE can be used to provide closed-loop gait control. In addition, this approach is shown to demonstrate significant robustness to external disturbances. Finally, the FPE is shown in experimental results to be an unprecedented estimate of where humans place their feet for walking and jumping, and for stepping in response to an external disturbance.

Ce travail est dédié au contrôle non linéaire d'un drone de type quadricoptère dont la spécificité est de pouvoir voler aussi bien que se déplacer en glissant sur le sol, à la façon d'un aéroglisseur. Dans un contexte d'exploration autonome de bâtiment, ce concept hybride permet d'économiser les batteries lorsqu'il n'est pas nécessaire de voler puisque le drone profite des surfaces planes pour se déplacer sans avoir à compenser la gravité ; il peut ainsi prolonger l'autonomie au-delà de la vingtaine de minutes typique d'un quadricoptère classique. Contrairement aux véhicules terrestres à roues, les capacités de franchissement de notre drone sont fortement augmentées car son aptitude au vol l'autorise à éviter les obstacles, à changer d'étage ou passer par une fenêtre. L'étude menée ici concerne essentiellement le déplacement surfacique de ce drone hybride, et vise à concevoir et implémenter une loi de contrôle capable d'asservir ce système sur des trajectoires planes au sol. Ce drone terrestre est similaire à un système sous actionné de type glisseur ; le problème de la stabilisation en un point est donc distingué du suivi de trajectoire en raison de la condition de Brockett que ce système ne satisfait pas ; notre plateforme ne peut donc pas être stabilisée par des retours d'états continus. En s'appuyant sur la littérature, cette thèse propose différentes approches théoriques en temps variant, fonctions transverses, platitude ou encore par "Backstepping" pour répondre à ces problèmes. Après une phase d'identification du modèle dynamique employé, la partie expérimentale, exploitant un système de Motion Capture pour récupérer les informations de position et d'orientation du système, valide ces lois de contrôle et de commande pour le suivi d'une trajectoire circulaire simple. / This thesis is dedicated to the non-linear control of a special hybrid quadrotor which is able to fly, and slide on the ground like an hovercraft. In the context of an autonomous indoor exploration this hybrid concept allows saving energy when flying is not necessary, since the drone can then slide on the ground without having to compensate for the gravity; autonomy can last beyond the 20 minutes typical of a standard quadrotor. Contrarily to wheeled mobile robots, the hybrid drone ability to move across space is strongly increased since it can fly to avoid obstacles, to move between two levels, to get in through a window. The study under consideration is essentially focused on the displacement of the drone on the ground and aims at designing and implementing a control law so that our system is able to track a 2D xy plane trajectory. This terrestrial quadrotor is similar to a slider underactuated vehicle. The point stabilisation is then separately studied from the trajectory tracking issue because of the Brockett condition, which is not satisfied in that case; our platform cannot be stabilized by means of continuous state feedbacks. This thesis proposes different theoretical developments based on the literature and deriving from time varying control laws, transverse functions, flatness or backstepping techniques to solve both point stabilisation and trajectory tracking. The experimental part of the thesis is based on the recovering of the drone position in real time and orientation via a Motion Capture system for feedback loop in the control law; the proposed dynamical model was validated as well as the control and command laws for the tracking of a circular trajectory.