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This work is focused on the conceptualization, the modeling and the genericcontrol of mobile robots when moving in off-road contexts and facing slipperyterrains, especially for very accurate tracking and following applications. Thisthesis summarizes the proposed methods and the obtained results to addressthis research issue, first for path following applications (absolute localization)and then for edge and target tracking applications (relative localization). A finalsection of this thesis introduces an adaptive robotic concept and its associatedcontroller allowing the adaptation of the pose (position and orientation) of thechassis with respect to the environment topography.For each application, this thesis introduces a panel of innovative control algorithmsfor controlling skid-steering, two-wheel steering and four-wheel steeringmobile robots. Each algorithm of the panel is described, in this thesis, infour steps : modeling, estimation, control and experiments.The first main contribution of this thesis deals with the slippage estimation.The latter is adaptive and model-based. It also includes the extended kinematicmodeling only or together with the dynamic modeling of the mobile robot toensure a robust estimation of the slippage whatever the speed of the robot, encountereddynamic phenomena or even ground characteristics.The second main contribution deals with the design of a generic control approachfor mobile robots when path following and target tracking. The proposedstrategy is mostly based on a backstepping method and is illustrated inthis thesis via a panel of control laws. When combining this proposed controlapproach with the slippage estimation described above, significant improvedtracking and following performances are obtained (in term of stability, repeatability,accuracy and robustness) whatever the encountered context.All algorithms have been tested and validated through simulations and/orfull-scale experiments, indoor and off-road, with different mobile robots.; Les problématiques de recherche abordées dans cette thèse concernent la conceptualisation, la modélisation et la commande générique des robots mobiles lors de leur évolution en milieux extérieurs et en présence de glissement pour des applications de suivi de précision. Ainsi, ce mémoire synthétise dans un premier temps les développements et résultats obtenus lors du suivi de trajectoire (localisation absolue), puis synthétise ensuite ceux obtenus lors de suivi de structure et de cible (localisation relative). Une dernière partie introduit un concept de plateforme robotique reconfigurable et sa commande associée pour adapter l’assiette et les dimensions du châssis en fonction de la topographie du terrain.Pour chaque application de suivi, ce mémoire présente un panel de lois de commande originales pour des robots différentiels, à un train et à deux trains directeurs. Chaque modalité de commande est présentée en quatre étapes : modélisation, estimation, commande et expérimentations. La première contribution majeure de la thèse concerne l’estimation du glissement. Cette dernière est adaptative et basée modèle. Elle intègre la modélisation cinématique étendue seule ou couplée à la modélisation dynamique du robot mobile pour assurer une estimation intègre quels que soient la vitesse, les phénomènes dynamiques rencontrés et la nature du sol. La seconde contribution majeure concerne le développement d’une stratégie de commande générique pour les robots mobiles. Cette stratégie est basée sur le principe de la commande en cascade (ou par backstepping) et est déclinée dans ce mémoire à travers un panel de lois de commande. Cette méthodologie de commande, lorsqu’elle est associée à l’observation du glissement précédent, permet d’obtenir des performances de suivi accrues quel que soit le contexte rencontré. L’ensemble des algorithmes ont été validés en simulation et/ou expérimentalement à l’aide de différentes plateformes robotiques en contextes réels.

This work is focused on the conceptualization, the modeling and the genericcontrol of mobile robots when moving in off-road contexts and facing slipperyterrains, especially for very accurate tracking and following applications. Thisthesis summarizes the proposed methods and the obtained results to addressthis research issue, first for path following applications (absolute localization)and then for edge and target tracking applications (relative localization). A finalsection of this thesis introduces an adaptive robotic concept and its associatedcontroller allowing the adaptation of the pose (position and orientation) of thechassis with respect to the environment topography.For each application, this thesis introduces a panel of innovative control algorithmsfor controlling skid-steering, two-wheel steering and four-wheel steeringmobile robots. Each algorithm of the panel is described, in this thesis, infour steps : modeling, estimation, control and experiments.The first main contribution of this thesis deals with the slippage estimation.The latter is adaptive and model-based. It also includes the extended kinematicmodeling only or together with the dynamic modeling of the mobile robot toensure a robust estimation of the slippage whatever the speed of the robot, encountereddynamic phenomena or even ground characteristics.The second main contribution deals with the design of a generic control approachfor mobile robots when path following and target tracking. The proposedstrategy is mostly based on a backstepping method and is illustrated inthis thesis via a panel of control laws. When combining this proposed controlapproach with the slippage estimation described above, significant improvedtracking and following performances are obtained (in term of stability, repeatability,accuracy and robustness) whatever the encountered context.All algorithms have been tested and validated through simulations and/orfull-scale experiments, indoor and off-road, with different mobile robots., Les problématiques de recherche abordées dans cette thèse concernent la conceptualisation, la modélisation et la commande générique des robots mobiles lors de leur évolution en milieux extérieurs et en présence de glissement pour des applications de suivi de précision. Ainsi, ce mémoire synthétise dans un premier temps les développements et résultats obtenus lors du suivi de trajectoire (localisation absolue), puis synthétise ensuite ceux obtenus lors de suivi de structure et de cible (localisation relative). Une dernière partie introduit un concept de plateforme robotique reconfigurable et sa commande associée pour adapter l’assiette et les dimensions du châssis en fonction de la topographie du terrain.Pour chaque application de suivi, ce mémoire présente un panel de lois de commande originales pour des robots différentiels, à un train et à deux trains directeurs. Chaque modalité de commande est présentée en quatre étapes : modélisation, estimation, commande et expérimentations. La première contribution majeure de la thèse concerne l’estimation du glissement. Cette dernière est adaptative et basée modèle. Elle intègre la modélisation cinématique étendue seule ou couplée à la modélisation dynamique du robot mobile pour assurer une estimation intègre quels que soient la vitesse, les phénomènes dynamiques rencontrés et la nature du sol. La seconde contribution majeure concerne le développement d’une stratégie de commande générique pour les robots mobiles. Cette stratégie est basée sur le principe de la commande en cascade (ou par backstepping) et est déclinée dans ce mémoire à travers un panel de lois de commande. Cette méthodologie de commande, lorsqu’elle est associée à l’observation du glissement précédent, permet d’obtenir des performances de suivi accrues quel que soit le contexte rencontré. L’ensemble des algorithmes ont été validés en simulation et/ou expérimentalement à l’aide de différentes plateformes robotiques en contextes réels.

Riders of Powered two-wheeled vehicles (P2WV) are among the most vulnerable drivers on roads. In France, riders of P2WVs are just 1.9% of road traffic, but account for 24% of road user deaths. This high rate of mortality may be explained by several factors. One of them is the lack of specific Intelligent Transportation System (ITS). In fact, because of the complexity of the P2WVs dynamics and the unavailability of some states (such as the steering torque, the roll angle and the lateral forces), it is more difficult to design specific ITS systems for P2WVs. In this context, my thesis aims the estimation of relevant dynamics of P2WVs. Firstly, a Takagi-Sugeno (TS) observer is proposed to estimate the lateral dynamics. The observer completely decouples the steering torque - which is considered as an unknown input (UI) – from the estimation error dynamics. Then, to estimate the lateral dynamics and the steering torque, another TS observer is proposed. The observer in question has a proportional derivative (PD) adaptation law to reconstruct the UI. However, in both observers, nonlinearities with respect to tire forces are neglected. To circumvent this difficulty, lateral forces are considered as UIs and they are algebraically estimated thanks to high order sliding mode observers. Finally, we focus on the longitudinal dynamics and propose an UI observer with a PD adaptation law to estimate the longitudinal forces and the thrust and braking torques. Once the lateral and longitudinal dynamics estimated, we were interested by the control of the braking system. In this context, a robust controller is proposed in order to optimize the braking for P2WVs. The controller is based on sliding mode techniques and allows the tracking of the longitudinal slip to a reference one. The latter is computed through a program inspired by MPPT algorithms. Finally, to validate the several observers developed in my thesis, an observer based controller using TS techniques is proposed in order to stabilize and automate an instrumented scooter and to track a reference roll angle., Les conducteurs des véhicules à deux-roues motorisés (V2RM) sont parmi les usagers les plus vulnérables sur les routes. En France, les V2RMs ne constituent que 1.9% du trafic routier, mais ils sont impliqués dans 24% des accidents mortels. Le manque des systèmes d’aide à la conduite (Intelligent Transportation System, ITS) est pointé du doigt parmi les principales causes de ces chiffres alarmants. En effet, la complexité de la dynamique des V2RMs ainsi que l’inaccessibilité à certains états (comme l’angle du roulis, le couple de direction et les forces pneumatiques) rendent le déploiement des systèmes ITS très difficile et constituent un frein quant à leur développement. Dans ce contexte, mon travail de thèse vise l’estimation des dynamiques pertinentes des V2RMs. Premièrement, un observateur de type Takagi-Sugeno (TS) est proposé pour l’estimation de la dynamique latérale avec un découplage du couple de direction qui est considéré comme une entrée inconnue (UI). Ensuite, afin d’estimer le couple de direction, un autre observateur TS est proposé. L’observateur en question possède une loi d’adaptation proportionnelle-dérivée (PD) afin de reconstruire l’UI. Cependant, dans les deux observateurs précédents, les non-linéarités aux forces pneumatiques latérales sont négligées. Pour contourner cette difficulté, les forces latérales sont considérées comme des entrées inconnues et sont estimées de manière algébrique en utilisant les observateurs par mode-glissant d’ordre supérieur. Enfin, nous nous sommes attelés à la dynamique longitudinale et proposé un observateur à entrées inconnues avec une loi d’adaptation PD afin d’estimer les forces longitudinales et les couples d’accélération et de freinage. Une fois les dynamiques latérales et longitudinales des V2RMs estimées, nous nous sommes attaqués à la commande du système de freinage. Dans ce contexte, un contrôleur robuste est proposé afin d’optimiser le freinage des V2RMs. Le contrôleur est basé sur les techniques par mode glissant et permet d’asservir le glissement longitudinal vers un glissement de référence. Ce dernier est calculé grâce à un programme inspiré des algorithmes MPPT. Enfin, afin de valider les différents observateurs proposés, une commande basée observateur utilisant les techniques TS a été proposée dans afin d’automatiser un scooter instrumenté et assurer le suivi d’un roulis de référence.

This thesis is dedicated to the creation of a complete framework, from high-level to low-level, of trajectory generation for a group of independent dynamical systems. This framework, based for the trajectory generation, on the resolution of Burgers equation, is applied to a novel model of trirotor UAV and uses the flatness of the two levels of dynamical systems.The first part of this thesis is dedicated to the generation of trajectories. Formal solutions to the heat equation are created using the differential flatness of this equation. These solutions are transformed into solutions to Burgers' equation through Hopf-Cole transformation to match the desired formations. They are optimized to match specific requirements. Several examples of trajectories are given.The second part is dedicated to the autonomous trajectory tracking by a trirotor UAV. This UAV is totally actuated and a nonlinear closed-loop controller is suggested. This controller is tested on the ground and in flight by tracking, rolling or flying, a trajectory. A model is presented and a control approach is suggested to transport a pendulum load.; L'objet de cette thèse est de proposer un cadre complet, du haut niveau au bas niveau, de génération de trajectoires pour un groupe de systèmes dynamiques indépendants. Ce cadre, basé sur la résolution de l'équation de Burgers pour la génération de trajectoires, est appliqué à un modèle original de drone trirotor et utilise la platitude des deux systèmes différentiels considérés. La première partie du manuscrit est consacrée à la génération de trajectoires. Celle-ci est effectuée en créant formellement, par le biais de la platitude du système considéré, des solutions à l'équation de la chaleur. Ces solutions sont transformées en solution de l'équation de Burgers par la transformation de Hopf-Cole pour correspondre aux formations voulues. Elles sont optimisées pour répondre à des contraintes spécifiques. Plusieurs exemples de trajectoires sont donnés.La deuxième partie est consacrée au suivi autonome de trajectoire par un drone trirotor. Ce drone est totalement actionné et un contrôleur en boucle fermée non-linéaire est proposé. Celui-ci est testé en suivant, en roulant, des trajectoires au sol et en vol. Un modèle est présenté et une démarche pour le contrôle est proposée pour transporter une charge pendulaire.

This thesis focuses on the hierarchical control for a multi-terminal high voltage direct current (MT-HVDC) grid suitable for the integration of large scale renewable energy sources. The proposed control scheme is composed of 4 layers, from the low local control at the power converters in the time scale of units of ms; through distributed droop control (primary control) applied in several terminals in the scale of unit of seconds; and then to communication based Model Predictive Control (MPC) that assures the load flow and the steady state voltage/power plan for the whole system, manage large scale storage and include weather forecast (secondary control); finally reaching the higher level controller that is mostly based on optimization techniques, where economic aspects are considered in the same time as longer timespan weather forecast (tertiary control).Concerning the converters' level, special emphasis is placed on DC/DC bidirectional converters. In this thesis, three different topologies are studied in depth: two phases dual active bridge (DAB), the three phases DAB, and the use of the Modular Multilevel Converter (MMC) technology as DC/DC converter. For each topology a specific non-linear control is presented and discussed. In addition, the DC/DC converter can provide other important services as its use as a direct current circuit breaker (DC-CB). Several operation strategies are studied for these topologies used as DC-CB.With respect to primary control, which is the responsible to maintain the DC voltage control of the grid, we have studied several control philosophies: master/slave, voltage margin control and droop control. Finally we have chosen to use droop control, among other reasons, because the communication between nodes is not required. Relative to the secondary control, its main goal is to schedule power transfer between the network nodes providing voltage and power references to local and primary controllers, providing steady state response to disturbances and managing power reserves. In this part we have proposed a new approach to solve the power flow problem (non-linear equations) based on the contraction mapping theorem, which gives the possibility to use more than one bus for the power balance (slack bus) instead of the classic approach based on the Newton-Raphson method. Secondary control plays a very important role in practical applications, in particular when including time varying power sources, as renewable ones. In such cases, it is interesting to consider storage devices in order to improve the stability and the efficiency of the whole system. Due to the sample time of secondary control is on the order of minutes, it is also possible to consider different kinds of forecast (weather, load,..) and to achieve additional control objectives, based on managing storage reserves. All these characteristics encourage the use of a model predictive control (MPC) approach to design this task. In this context, several possibilities of optimization objective were considered, like to minimize transmission losses or to avoid power network congestions.The main task of tertiary control is to manage the load flow of the whole HVDC grid in order to achieve economical optimization. This control level provides power references to the secondary controller. In this thesis we were able to maximize the economic profit of the system by acting on the spot market, and by optimizing the use of storage devices. In this level it is again used the MPC approach.With the aim of implementing the hierarchical control philosophy explained in this thesis, we have built an experimental test bench. This platform has 4 terminals interconnected via a DC grid, and connected to the main AC grid through VSC power converters. This DC grid can work at a maximum of 400 V, and with a maximum allowed current of 15 A.; Cette thèse traite de la commande hiérarchique de réseaux à courant continu multi-terminaux à haute tension (MT-HVDC) intégrant des sources d'énergie renouvelables à grande échelle. Le schéma de contrôle proposé est composé de quatre ‘couches’ : le contrôle local où se trouvent les convertisseurs de puissance, avec une échelle de temps de l’ordre de la milliseconde ; le contrôle primaire qui est décentralisé et appliqué à plusieurs terminaux avec une échelle du temps de l’ordre de la seconde ; un niveau de commande où la communication est prise en compte et où l’approche de Modèle du Commande Prédictive (MPC) assure la planification de la tension et de la puissance à leur état d'équilibre, pour l'ensemble du système; enfin, le contrôleur de niveau supérieur, qui est principalement basé sur les techniques d'optimisation, où les aspects économiques sont pris en compte (il s’agit du réglage dit tertiaire).Au niveau des convertisseurs, un accent particulier est mis sur les convertisseurs bidirectionnels DC/DC. Dans cette thèse, trois topologies différentes sont étudiées en profondeur: deux phases Dual Active Bridge (DAB), trois phases DAB, et l’utilisation de la technologie Modular Multilevel converter (MMC) comme convertisseur DC/DC. Pour chaque topologie, une commande non-linéaire spécifique est discutée. D’autre part une nouvelle fonction pour le convertisseur DC/DC est étudiée. Il s’agit de son utilisation comme disjoncteur à courant continu (DC-CB). En ce qui concerne le contrôle primaire, qui permet de maintenir le niveau de tension continue dans le réseau, nous avons étudié trois philosophies de contrôle: celle de maître/esclave, celui du contrôle « voltage margin control » et celle de la commande du statisme (droop control). Enfin, nous avons choisi d'utiliser le droop control, entre autres, parce que la communication entre les nœuds n’est pas nécessaire. Concernant la commande secondaire, son principal objectif est de planifier le transfert de puissance entre les nœuds du réseau, qui fournissent la tension et la puissance de référence aux contrôleurs locaux et primaires, même lorsque des perturbations apparaissent. Dans cette partie, nous avons proposé une nouvelle approche pour résoudre les problèmes de flux de puissance (équations non-linéaires) basée sur le théorème du point fixe de l’application contractive. Ceci permet d'utiliser plus d'un slack bus, contrairement à l’approche classique basée sur la méthode de Newton-Raphson. Par ailleurs, le réglage secondaire joue un rôle très important dans les applications pratiques, en particulier lorsque les sources d'énergie renouvelables (variables dans le temps). Dans de tels cas, il est intéressant de considérer des dispositifs de stockage afin d'améliorer la stabilité de tout le système. Il est également possible d'envisager différents types de prévisions (météo, charge, ..) basées sur la gestion des réserves de stockage. Toutes ces caractéristiques ont suggéré l'utilisation d'une approche MPC. Dans ce contexte, plusieurs critères d'optimisation ont été considérés, en particulier la minimisation des pertes de transmission ou des congestions dans le réseau.La tâche principale de réglage tertiaire est de d'atteindre l'optimisation économique de l'ensemble du réseau. Dans cette thèse, nous avons pu maximiser le profit économique du système en agissant sur le marché réel, et en optimisant l'utilisation des périphériques de stockage. Dans le but de mettre en œuvre la philosophie de contrôle hiérarchique présentée dans cette thèse, nous avons construit un banc d'essai expérimental. Cette plate-forme dispose de quatre terminaux reliés entre eux par l'intermédiaire d'un réseau à courant continu, et connectés au réseau principal de courant alternatif. Ce réseau DC peut fonctionner à un maximum de 400 V, et avec une courant maximal de 15 A.