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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.

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 addresses the problem of the stabilization of an (unmanned) airlaunch system. Air launching consists in bringing a satellite and its launcher (rocket) to a certain height using an aircraft, and then launching it from the air (often by dropping the rocket), in a similar way of launching a missile from a fighter. The main difference is that the envisaged mass ratio is much closer to one (heavy rocket compared to aircraft mass). It is then composed of two stages: the first stage called carrier aircraft consists of an aerial vehicle that carries the launcher which constitutes the second stage (rocket). This thesis starts by introducing the problem and objectives, continues by presenting several approaches to model the airlaunch system, and ends by developing different advanced control methods to stabilize it after the launching phase. In the modeling part we propose a firstly approach called the initial condition model which assumes that the separation phase is instantaneous, and then the airlaunch system is composed of an aircraft model after the launching phase but with large initial conditions on its state variables, caused by a non-perfect split phase. A second approach assumes that the separation phase itself is modeled by a disturbance on aerodynamic forces and moments (from a worst case) during a time interval. In the control part a modified conditional integrator controller for a class of nonlinear multi-input multi-output systems is first developed starting from the conditional integrator theory developed by Khalil and co-workers. It is then extended to a modified conditional servocompensator control for a class of nonlinear multi-input multi-output systems. Both control strategies were then applied to stabilize the airlaunch system after the separation phase. They have the advantage of being very robust, and they don't depend so much on reliable models. Even if these control strategies gave good results, it was investigated in this thesis another control approach much more dependent on detailed and reliable models. This approach was based on dynamic feedback linearization theory, and the main idea is to obtain better performance in trade off better models. Finally, all proposed control methods (plus some standard ones) were compared and illustrated by simulations under Matlab/Simulink on a nonlinear F-16 model. These simulations have shown that the results were as expected, and that each control strategy was well fit for a particular situation., Cette thèse traite du problème de la stabilisation d'un système de lancement aéroporté (éventuellement non habité) pour satellites. Le lancement aéroporté consiste à ramener, à l'aide d'un avion, un satellite et son lanceur (fusée) à une certaine hauteur, et d'exécuter son lancement dans les airs (souvent en larguant la fusée). Ceci est similaire au lancement d'un missile par un avion chasseur. La plus grande différence réside dans le rapport de masse entre l'avion et le lanceur qui est beaucoup plus proche de l'unité (fusée lourde comparée à la masse de l'avion). Le système est composé de deux étages: le premier étage est dit avion porteur qui est un véhicule aérien automatisé. Il porte le lanceur qui constitue le deuxième étage (la fusée). Dans la première partie, sont proposées des approches de modélisation pour le système de largage pendant et après le largage. La première approche considère que la phase de séparation est instantanée, mais imparfaite. Par conséquent le système est vu comme un modèle d'aéroplane dont les variables d'état sont avec des larges conditions initiales dues à la séparation imparfaite. Une deuxième approche considère la séparation elle-même, représentée par une forte perturbation (un extrême cas) sur les forces et couples aérodynamiques du modèle au cours d'un intervalle de temps. Dans la deuxième partie, afin de stabiliser le système de largage après la séparation, la commande à intégrateur conditionnel modifié est développée dans un premier temps pour une classe des systèmes non-linéaires multi-entrées multi-sorties, avec comme point de départ la théorie introduite par Khalil et co-auteurs pour des systèmes mono entrée mono sortie. Cette commande a été ensuite étendue pour la commande à servo-compensateur conditionnel modifié pour une classe de systèmes non-linéaires multi-entrées multi-sorties. Les deux stratégies ont été appliquées pour stabiliser le système de largage pendant et après la phase de séparation. Ces techniques ont l'avantage d'être robustes et de pouvoir utiliser des modèles approximatifs. D'un autre côté, il était important d'examiner la possibilité d'obtenir de meilleures performances en utilisant de meilleurs modèles. Pour cette raison, la commande de linéarisation par bouclage dynamique a été étudiée. Finalement, les performances de toutes ces méthodes de commande (ainsi que certaines commandes de base additionnelles) ont été illustrées par des simulations sous Matlab/Simulink sur un modèle non-linéaire de F-16.

In recent years there has been a rapid growth in the application of miniature UAVs to monitoring our environment. The majority of this monitoring is for either ecological reasons or to provide improved security during times of natural disaster. A miniature UAV entrusted with a mission must follow either a pre-planned or a real-time defined trajectory. The ability of such a UAV to track the desired trajectory closely is critical. The main focus of this work is to contribute to the synthesis of guidance/piloting control laws which provide enhanced performance over an enlarged flight domain and mission set. From a control viewpoint, miniature UAVs represent often unstable, highly nonlinear dynamic systems, whose physical parameters are usually only partially known. They are also subject to strong atmospheric perturbations which provides further complications. In this respect, the work of this dissertation focuses on the synthesis of nonlinear control laws (feedback linearization, differentially flat control, backstepping) and their enhancement using adaptive control theory. The main case study of this dissertation is that of a quadrotor helicopter, a type of vehicle with an interesting flight envelope including : vertical takeoff and landing, stationary flight and, most importantly, maneuverability even at low speed. The flight dynamics of the vehicle have been modeled and the parameters of the model analysed in order to develop a control structure, the performance of which has been assessed using a number of simulations., Les applications mettant en oeuvre les minidrones ont connu un développement très rapide ces dernières années. Ces applications concernent pour beaucoup l'amélioration de notre cadre de vie et principalement de notre sécurité face à des aléas naturels pour lesquels de nouveaux moyens de surveillance ont besoin d'être mis au point. La plupart des missions confiées aux minidrones supposent la réalisation de trajectoires soit planifiées à l'avance, soit définies au fur et à mesure que de nouvelles informations sont disponibles. La qualité du suivi de trajectoire a d'importantes conséquences pour le succès de ces missions. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la synthèse de lois de pilotage/guidage pour les minidrones présentant des performances améliorées sur un domaine de vol étendu et sur une panoplie de missions diversifiées. Ainsi les minidrones sont ici appréhendés comme des systèmes fortement non linéaires, très souvent naturellement instables, aux paramètres physiques partiellement connus et susceptibles d'être soumis à de fortes perturbations. Les travaux de cette thèse portent donc sur la synthèse de lois de commande non linéaire (commande non linéaire inverse, commande différentiellement plate, commande par \emph{Backstepping}) intégrant, dans le cadre de la commande adaptative, des processus d'apprentissage en ligne. Le principal cas d'étude considéré dans cette thèse est celui du guidage d'un minidrone de type quadrirotor qui présente des caractéristiques opérationnelles particulièrement intéressantes : atterrissage et décollage verticaux, capacité de vol stationnaire, grande manoeuvrabilité même à basse vitesse. Ainsi la dynamique de son vol a été modélisée et les propriétés mathématiques du modèle retenu ont été exploitées pour mettre au point la structure de commande dont les performances ont été évaluées par simulation sur une multitude de trajectoires de guidage.

This thesis deals with the control of closed microalgal photobioreactor. Mathematical modeling and model parameters identification are particularly approached. The kinetics and light transfer model parameters were obtained by fitting the experimental data acquired along the exponential phase of batch cultivation of Porphyridium purpureum under different conditions in the photobioreactor (2.5 liters). Biomass is one of the most valuable variables to control. Because biomass concentration is very difficult to measure on-line, a software sensor for its estimation is proposed. An extended Kalman filter (EKF) is developed, based on a dynamic process model in combination with total inorganic carbon measurement within an algorithm of state observation. This software sensor leads to good results and was experimentally validated in a new bubble column photobioreactor (9.6 liters) which carried different probes and sensors necessary to implement a control system. Several control strategies for microalgae culture were also proposed: non-linear and linear controllers, PID controller, generic model controller (GMC), input-output linerarizing controller and non-linear predictive controller. We illustrated our approaches with numerical simulations which allowed us to choose the most successful strategies and to validate them on the instrumented photobioreactor., Cette thèse porte sur la commande d'un photobioréacteur continu pour la culture des microalgues. La modélisation du système et l'identification des paramètres du modèle ont été particulièrement abordées. Les paramètres cinétiques et de transfert de l'énergie lumineuse ont été obtenus à partir des données acquises le long de la phase exponentielle de la culture de Porphyridium purpureum en mode batch sous différentes conditions expérimentales dans un photobioréacteur de 2,5 litres. La concentration en biomasse est la quantité physique la plus importante à réguler. Puisque elle n'est pas toujours facile à mesurer en ligne, un capteur logiciel permettant d'estimer la quantité de biomasse produite à partir des mesures en ligne est proposé. Il s'agit d'un filtre de Kalman étendu (EKF) qui combine le modèle du système avec la mesure de la concentration du carbone inorganique total et d'autres variables physiques (pH, intensité lumineuse,...) afin d'estimer en ligne la concentration de la biomasse. Ce capteur logiciel a été validé expérimentalement en utilisant un nouveau photobioréacteur de 9,6 litres de type colonne à bulles, équipé de plusieurs dispositifs destinés à mettre en place un système de commande et de régulation, et de techniques de mesure permettant d'accéder à l'évolution des principales variables. Plusieurs démarches pour la commande de la culture de microalgues ont été également proposées : commande non-linéaire et linéaire, régulation par PID, commande par modèle générique GMC, commande linéarisante par retour d'état et commande prédictive non-linéaire. Ces différentes commandes ont été mises oeuvre en simulation ce qui nous a permis de choisir les stratégies les plus performantes et de les valider sur le photobioréacteur instrumenté.

To solve the problems related to the important tra c in the cities, new alternatives, called \Urban Systems Transportation", have been proposed. Those are based on electric vehicles in free access. A necessary functionality of these systems is their capacity to work in platoon. In this manuscript of thesis, the work presented deals with the control of a urban vehicles platoon. In this thesis, a tricycle kinematic modelling is used in order to represent the mobile robot. The transformation into chained system makes it possible to dissociate the lateral and longitudinal commands. The lateral control law, based on exact linearization techniques, enables path following with high-precision (since the model non-linearities are not approximated, but taken explicitly into account), independently of the robot speed. The longitudinal control law, based also on exact linearization techniques, relies on a global control strategy : the platoon state is taken into account, and not only the state of the preceding vehicle. More precisely, the behaviour of the convoy is studied through the states of both the leader and the preceding vehicle. The gap between cars is desired to be equal to a constant curvilinear distance travelled along the reference path. That allows to ensure a coherent behaviour in high-curved paths In order to provide a su cient comfort for the passengers and to ensure safety, supervision functions are added to the nominal control laws. This supervision unit, called \Monitoring", manages also the entering and the leaving of vehicles within the platoon. Experiments, relying on actual vehicles, named Cycabs, make it possible to validate the performances of the control laws. For that, the vehicles are equipped with a wireless communication (WiFi). Two kinds of sensors are envisaged : mainly a sensor RTK-GPS (Real Time Kinematic Global Positioning System), and also a monocular vision system., Pour résoudre les problèmes lies au trafic important dans les métropoles, de nouvelles alternatives, appelées "Urban Transportation Systems", voient le jour. Celles-ci sont basées sur des véhicules électriques en libre accès. Une fonctionnalité nécessaire de ces systèmes est leur capacité a' se déplacer en convoi. Dans ce manuscrit de thèse, le travail présenté traite de la commande d'un convoi de véhicules urbains. Dans ce mémoire, une modélisation cinématique de type tricycle est adoptée pour représenter le robot mobile. La transformation en système chaîné de ce modèle permet de découpler les commandes latérale et longitudinale. La commande latérale basée sur des techniques de linéarisation exacte, permet d'assurer un suivi de trajectoire avec une tr'es haute précision (puisque les non-linearites du modèle ne sont pas approximées mais au contraire, explicitement prises en compte), indépendamment de la vitesse du robot. La loi de commande longitudinale, basée également sur des techniques de linéarisation exacte, suit une stratégie de commande globale : l''état du convoi est pris en compte, et non pas seulement l'état du véhicule situe immédiatement devant. En fait, le comportement du convoi est étudié à travers les états du leader et du véhicule précédent. L'écart inter-vehicules a réguler est choisi égal à la distance curviligne parcourue le long d'un chemin de référence, ce qui permet d'assurer un comportement cohérent du convoi, y compris lors du suivi de trajectoires a' forte courbure. Afin de prodiguer un confort suffisant aux passagers et d'assurer un fonctionnement en toute sécurité, des fonctions de supervision sont greffées aux lois de commande nominales, d'écrites ci-dessus. Ce module de supervision, nomme "Monitoring", gère également l'insertion ou la désinsertion de véhicules au sein du convoi. Des expérimentations, portées sur des voitures urbaines réelles, nommées Cycabs, permettent de valider les performances de la commande. Pour cela, les véhicules sont équipes d'une communication sans fil de type WiFi. Deux modalités capteurs ont 'et'e envisagées pour localiser les véhicules : principalement un capteur RTK-GPS (Real Time Kinematic Global Positioning System), mais également un système de vision monoculaire.

Recent progress made in the domain of microtechnologies allow the design of very small-sized Micro Air Vehicles (MAVs), whose wingspan is inferior than 15 cm, suitable for observation or intervention in hazardous environments. The ability to fly among obstacles or indoor requires both a great agility at low speed and silent displacements, for which the concept of flapping wings – inspired by the flight of insects and hummingbirds – seems to be the most promising. During this thesis, a flight-dynamics-oriented simulation model has been programmed, based upon previous results about the unsteady aerodynamics of insect flight. An optimization of the flapping kinematics through heuristical methods has then been performed, as well as a closed-loop control of this nonlinear and naturally unstable system. A backstepping-based approach has given very good performances for both static and dynamic domains., Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de drones d'envergure inférieure à 15 cm, susceptibles de réaliser des missions d'observation ou d'intervention en milieu risqué. La possibilité de vol en présence d'obstacles ou en espace fermé nécessite une grande agilité à basse vitesse et des capacités de déplacement silencieux, pour lesquelles un concept à ailes battantes – inspiré du vol des insectes et du colibri – semble être le plus prometteur. Dans le cadre de cette thèse, nous avons donc développé un modèle de simulation de type mécanique du vol d'un tel engin, à partir de résultats antérieurs concernant l'aérodynamique du vol des insectes. Nous avons ensuite déterminé les cinématiques de battement optimales à l'aide d'algorithmes heuristiques, avant de chercher à commander en boucle fermée ce système non linéaire naturellement instable. Une technique inspirée du backstepping a permis d'obtenir de très bonnes performances, en statique comme en dynamique.

National audience; Pour résoudre les problèmes liés au trafic important dans les métropoles, de nouvelles alternatives , appelés "Urban Transportation Systems", voient le jour. Celles-ci sont basées sur des véhiculeś electriques en libre accès. Une fonctionnalité nécessaire de ces systèmes est leur capacitéà se déplacer en convoi. Dans ce papier, est présenté le convoi de ces véhicules automatisés, s'appuyant sur des capteurs RTK-GPS et une communication inter-véhicules. La commande développée est basée sur une stratégie de commande globale ; en fait, l'état du convoi est pris en compte. En fait, le com-portement du convoi estétudiéà travers lesétats du leader et du véhicule situé immédiatement devant. La distance inter-véhicules est prise comme la distance curviligne le long d'une trajectoire de référence. Se basant sur la théorie de commande non-linéaire, les contrôles latéral et longitudinal sont traités indépendamment. Afin de prodiguer un confort aux passagers, des fonctions de supervision sont greffées au système de contrôle. Puis, des expérimentations, portées sur véhicules réelles, et des simulations de longs convois sont présentées.

Aujourd'hui, les grands réseaux électriques fonctionnent de plus en plus près de leur limite de stabilité. Les moyens de contrôle classique des réseaux permettent d'assurer leur stabilité dans des conditions de fonctionnement normales. Cependant, compte tenu de la variété des conditions et des schémas d'exploitation, de la sévérité des incidents, les équipements de commande actuellement installés surles réseaux peuvent s'avérer trop limités et insuffisants pour répondre efficacement aux diverses perturbations. L'objectif général de cette thèse est l'étude et la comparaison de méthodologies de synthèse de contrôleurs décentralisés non linéaires qui puissent améliorer la stabilité transitoire des réseaux électriques. La notion de contrôleur décentralisé signifie ici que les grandeurs nécessaires pour élaborer la commande sont disponibles localement, c'est-à-dire à proximité du turbo-générateur à contrôler.Dans une première étape, nous nous sommes fixés l'objectif de développer une méthodologie de commande non-linéaire qui puisse améliorer les amortissements des oscillations transitoires provenant des courts-circuits triphasés se présentant sur la ligne de transmission, dans le contexte d'un système SMIB (une seule machine connectée à un n\oe ud infini). Dans une deuxième étape, nous nous sommes donnés l'objectif de généraliser cette méthodologie de commande non linéaire à un réseau multi-machines interconnecté. Nous nous sommes aussi fixés comme objectif dans ce cadre de tester la démarche proposée pour contrôler l'amortissement des oscillations basse fréquence (0.1-10 (dollar) HZ (dollard) locales et inter-zones., non disponible

National audience; Cet article s'intéresse à la synthèse d'une loi de commande permettant à un aéronef de se déplacer vers une position désirée en tenant compte de ses capacités de manoeuvre. La synthèse de cette loi de commande s'appuie principalement sur la technique du "backstepping" : il s'agit d'une technique de commande pour les systèmes non-linéaires permettant de manière séquentielle et systématique de construire une fonction de Lyapunov stabilisante. Cette technique a été adaptée à la spécificité du problème à résoudre. L'article se limite au cas du mouvement dans le plan horizontal et à une situation sans vent.