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Virtual reality (VR) is evolving and being used in industrial simulations but the possibility to touch objects is missing, for example to judge the perceived quality in the design of a car. The current haptic interfaces do not allow to easily restore the notion of texture, therefore an approach is considered “intermittent contact interface” to achieve this. A cobot positions a mobile surface at the point of contact with a virtual object to allow physical contact with the operator's hand. The contributions of this thesis concern several aspects: the placement of the robot, the modeling of the operator, the management of the displacement and the speed of the robot and the detection of the operator's intentions. The placement of the robot is chosen to allow reaching the different working areas and to ensure passive safety by making it impossible for the robot to hit the head and chest of the operator in a normal working position, i.e. sitting in a chair. A model of the user, including a torso and arms, is designed and tested to follow the user's movements in real time Interaction is possible on a set of predefined poses that the user chains together as desired. Different strategies are proposed to predict the user's intentions. The key aspects of the prediction are based on the gaze direction and the hand position of the user. An experimental study as well as the resulting analysis show the contribution of taking into account the gaze direction. The interest of introducing "safety" points to move the robot away from the operator and allow fast robot movements is highlighted.; La réalité virtuelle (RV) est de plus en plus utilisée dans des simulations industrielles mais la possibilité de toucher les objets manque rapidement par exemple pour juger de la qualité perçue dans la conception de véhicule automobile. Les interfaces haptiques actuels ne permettent de restituer aisément la notion de texture, l’approche envisagée est donc une interface à contact intermittent. Un cobot vient positionner une surface mobile à l’endroit du contact avec un objet virtuel pour permettre un contact physique avec la main de l’opérateur.Les contributions de cette thèse portent sur plusieurs aspects : le placement du robot, la modélisation de l’opérateur, la gestion du déplacement et de la vitesse du robot et la détection des intentions de l’opérateur. Le placement du robot est choisi pourpermettre d’atteindre les différentes zones de travail et pour assurer une sécurité passive en rendant impossible au robot de heurter la têteet le buste de l’opérateur en position normale de travail, i.e. assis dans un fauteuil. Un modèle de l'utilisateur, incluant un torse et desbras, est conçu et testé pour suivre les mouvements de l'utilisateur en temps réel. L’interaction est possible sur un ensemble de pose prédéfinies que l’utilisateur enchaine comme il le désire. Différentes stratégies sont proposées pour prédire les intentions de l'utilisateur. Les aspects clés de la prédiction sont basés sur la direction du regard et la position de la main de l'utilisateur. Une étudeexpérimentale ainsi que l'analyse qui en découle montrent l’apport de la prise en compte de la direction du regard. L’intérêt d’introduire des points dit « de sécurité » pour éloigner le robot de l’opérateur et permettre des déplacements rapides du robot est mis en évidence.

Virtual reality (VR) is evolving and being used in industrial simulations but the possibility to touch objects is missing, for example to judge the perceived quality in the design of a car. The current haptic interfaces do not allow to easily restore the notion of texture, therefore an approach is considered “intermittent contact interface” to achieve this. A cobot positions a mobile surface at the point of contact with a virtual object to allow physical contact with the operator's hand. The contributions of this thesis concern several aspects: the placement of the robot, the modeling of the operator, the management of the displacement and the speed of the robot and the detection of the operator's intentions. The placement of the robot is chosen to allow reaching the different working areas and to ensure passive safety by making it impossible for the robot to hit the head and chest of the operator in a normal working position, i.e. sitting in a chair. A model of the user, including a torso and arms, is designed and tested to follow the user's movements in real time Interaction is possible on a set of predefined poses that the user chains together as desired. Different strategies are proposed to predict the user's intentions. The key aspects of the prediction are based on the gaze direction and the hand position of the user. An experimental study as well as the resulting analysis show the contribution of taking into account the gaze direction. The interest of introducing "safety" points to move the robot away from the operator and allow fast robot movements is highlighted.; La réalité virtuelle (RV) est de plus en plus utilisée dans des simulations industrielles mais la possibilité de toucher les objets manque rapidement par exemple pour juger de la qualité perçue dans la conception de véhicule automobile. Les interfaces haptiques actuels ne permettent de restituer aisément la notion de texture, l’approche envisagée est donc une interface à contact intermittent. Un cobot vient positionner une surface mobile à l’endroit du contact avec un objet virtuel pour permettre un contact physique avec la main de l’opérateur. Les contributions de cette thèse portent sur plusieurs aspects : le placement du robot, la modélisation de l’opérateur, la gestion du déplacement et de la vitesse du robot et la détection des intentions de l’opérateur. Le placement du robot est choisi pour permettre d’atteindre les différentes zones de travail et pour assurer une sécurité passive enrendant impossible au robot de heurter la tête et le buste de l’opérateur en position normale de travail, i.e. assis dans un fauteuil. Un modèle de l'utilisateur, incluant un torse et des bras, est conçu et testé pour suivre les mouvements de l'utilisateur en temps réel. L’interaction est possible sur un ensemble de pose prédéfinies que l’utilisateur enchaine comme il le désire. Différentes stratégies sont proposées pour prédire les intentions de l'utilisateur. Les aspects clés de la prédiction sont basés sur la direction du regard et la position de la main de l'utilisateur. Une étude expérimentale ainsi que l'analyse qui en découle montrent l’apport de la prise en compte de la direction du regard. L’intérêt d’introduire des points dit « de sécurité » pour éloigner le robot de l’opérateur et permettre des déplacements rapides du robot est mis en évidence.

In this thesis, we are interested in theoretical and applied geometric control theory. The first part of the thesis is dedicated to the problem of equivalence of submanifolds of the tangent bundled to submanifolds described by a quadratic equation (with respect to velocities). We study this problem with the help of feedback equivalence of control systems (non-linear and affine) and we develop a theory of quadratic control systems, in particulr, we provide normal forms. In the second part of the thesis, we study the motion planning problem (MPP), that is the study of algorithms that compute controls achieving a certain target path. We propose a regularisation of the continuation method introduced by Chitour and Sussmann. We give a necessary condition for our regularised method to converge to a solution of the motion planning problem. Finally, we illustrate the potential of our method through several numerical examples., Dans cette thèse, nous nous intéressons à la théorie et aux applications du contrôle géométrique. La première partie de la thèse est dédiée au problème d'équivalence des sous-variétés du fibré tangent à des sous-variétés décrites par une équation quadratique (par rapport aux vitesses). Nous étudions ce problème par le biais de l’équivalence par bouclage des systèmes de contrôle (non-linéaire et affine). Ainsi, nous développons une théorie des systèmes de contrôle quadratiques. Dans la deuxième partie de la thèse, nous étudions le problème de planification de trajectoire (PPT), c'est-à-dire l'étude d'algorithmes qui calculent des contrôles réalisant une certaine trajectoire cible. Nous proposons une régularisation de la méthode de continuation introduite par Chitour et Sussmann. Nous donnons une condition nécessaire pour que notre méthode régularisée converge vers une solution du PPT. Finalement, nous illustrons le potentiel de notre méthode à travers plusieurs exemples numériques.

Our lives are becoming increasingly influenced by robots. They are no longer limited to working in factories and increasingly appear in shared spaces with humans, to deliver goods and parcels, ferry medications, or give company to elderly people. Therefore, they need to perceive, analyze, and predict the behavior of surrounding people and take collision-free and socially-acceptable actions. In this thesis, we address the problem of (short-term) human trajectory prediction, to enable mobile robots, such as Pepper, to navigate crowded environments. We propose a novel socially-aware approach for prediction of multiple pedestrians. Our model is designed and trained based on Generative Adversarial Networks, which learn the multi-modal distribution of plausible predictions for each pedestrian. Additionally, we use a modified version of this model to perform data-driven crowd simulation. Predicting the location of occluded pedestrians is another problem discussed in this dissertation. Also, we carried out a study on common human trajectory datasets. A list of quantitative metrics is suggested to assess prediction complexity in those datasets.; Nos vies sont de plus en plus influencées par les robots. Ils ne se limitent plus à travailler dans les usines et apparaissent de plus en plus dans des espaces partagés avec les humains, pour livrer des biens et des colis, transporter des médicaments ou tenir compagnie à des personnes âgées. Par conséquent, ils doivent percevoir, analyser et prévoir le comportement des personnes qui les entourent et prendre des mesures sans collision et socialement acceptables des actions sans collision et socialement acceptables. Dans cette thèse, nous abordons le problème de la prédiction de la trajectoire humaine (à court terme), afin de permettre aux robots mobiles, tels que Pepper, de naviguer dans des environnements bondés. Nous proposons une nouvelle approche socialement consciente pour la prédiction de plusieurs piétons. Notre modèle est conçu et entraîné sur la base de réseaux adversariaux génératifs, qui apprennent la distribution multimodale des prédictions plausibles pour chaque piéton. De plus, nous utilisons une version modifiée de ce modèle pour effectuer une simulation de foule basée sur des données. La prédiction de l’emplacement des piétons occultés est un autre problème abordé dans cette thèse. Nous avons également réalisé une étude sur des jeux de données courants de trajectoires humaines. Une liste de métriques quantitatives est proposée pour évaluer la complexité de la prédiction dans ces jeux de données.

The current technical era has evolved, as more and more functions are integrated, and the volume of devices (electronic, electrical, mechanical etc.) has decreased. This trend of miniaturization has opened an opportunity to design small-scale robots, that can manipulate these small objects for assembly. The current state of art provides the planar dexterous manipulation of micro-objects of arbitrary shaped objects, while some spherical objects can be manipulated in 3D through tele-operations; taking into account the adhesion forces that exist at the micro and nanoscales. Due to the limitation of manipulation techniques at micro-scale, the applications are also very limited. However, there are many areas of applications where we require to manipulate the micro-objects in 3D, like minimal invasive surgery, surface mounting of electronic components, and placement and assembling of mechanical components. Thus, our goal is to develop a system that can manipulate the micro-objects in 3D considering the physical specificities at microscale. There are many scientific challenges at small-scale robotics, that require the attention for their appropriate use and applications. This research focuses on one of these challenges, the “planning the finger trajectories” to dexterously manipulate the micro-objects. Direct extension from previous method i.e., planar dexterous manipulation to 3D would involve an exponential increase in computational complexity. Thus, we propose an approach that allows to plan for 3D dexterous in-hand manipulation with a moderate increase in complexity. The main idea is to decompose any 3D motion into three individual 2D rotations about specific axes related to the object. This approach induces some constraints on the manipulation process, thus, to ensure that the three individual 2D rotations can be combined to form a complete 3D rotation, we also develop a search algorithm that complies with the manipulation constraints. In the last, we also analyse the impact of physical parameters (adhesion force and friction coefficient) that affects the manipulation process. The developed method allows to plan finger trajectories to manipulate and orient the object (on which two orthogonal planes can be projected) in 3D, and have been validated through simulations., Les développements technologiques ne cessent de s’accélérer et de plus en plus de fonctions sont intégrées, et le volume des dispositifs (électroniques, électriques, mécaniques, etc.) a largement diminué. Cette tendance à la miniaturisation a ouvert la voie à la conception de robots à petite échelle, capables de manipuler ces petits objets pour les assembler. L'état actuel de l'art permet la manipulation planaire et dextre de micro-objets de forme arbitraire, tandis que certains objets sphériques peuvent être manipulés en 3D par télé-opération, en tenant compte des forces d'adhésion qui existent à l'échelle micro et nanométrique. En raison de la limitation des techniques de manipulation à l'échelle micro, les applications sont également très limitées. Cependant, il existe de nombreux domaines d'applications où nous avons besoin de manipuler des micro-objets en 3D, comme la chirurgie invasive minimale, le montage en surface de composants électroniques, et le placement et l'assemblage de composants mécaniques. Notre objectif est donc de développer un système capable de manipuler des micro-objets en 3D en tenant compte des spécificités physiques à l'échelle microscopique. Il existe de nombreux défis scientifiques à l'échelle de la robotique, qui nécessitent une attention particulière pour leur utilisation et leurs applications appropriées. Cette recherche se concentre sur l'un de ces défis, à savoir la "planification des trajectoires des doigts" pour manipuler avec dextérité les micro-objets. L'extension directe de la méthode précédente, c'est-à-dire extrapoler les méthodes de manipulation dextre planaire, à un cas d’étude 3D impliquerait une augmentation exponentielle de la complexité informatique. Nous proposons donc une approche qui permet de planifier la manipulation dextre en 3D avec une augmentation modérée de la complexité. L'idée principale est de décomposer tout mouvement 3D en trois rotations 2D individuelles autour d'axes spécif iques liés à l'objet. Cette approche induit certaines contraintes sur le processus de manipulation, ainsi pour s'assurer que les trois rotations 2D individuelles peuvent être combinées pour former une rotation 3D complète, nous avons développé un algorithme de recherche qui respecte les contraintes de manipulation. Enfin, nous analysons également l'impact des paramètres physiques (force d’adhésion et de friction) qui affectent le processus de manipulation. La méthode développée permet de planifier la trajectoire des doigts permettant de manipuler et d'orienter l'objet (sur lequel deux plans orthogonaux peuvent être projetés) en 3D, et a été validée par des simulations.

In recent years, the field of aerial robotics has been improved, allowing the UAVs to apply a controlled wrench on their environment or on an object while flying. Inspired by the use of contacts in legged robots, in this Thesis, we propose the idea of exploiting physical contact with the environment for the purpose of ‘locomotion’ during flight, with the goal of going beyond the common thought that the surrounding environment is a constraint to avoid. These ideas are studied and demonstrated in simulations and experiments on a novel aerial platform consisting of a quadrotor with a 1-dof arm that realizes maneuvers by leveraging contacts with pivot points. Additionally, we also study the problem of generating trajectories that are most insensitive to variations in the model parameters.This problem has a general validity for any robot, and it is particularly relevant for UAVs because of the high uncertainty in their inertial parameters and actuation. In order to address these issues, we define and leverage the novel notion of "closed-loop state sensitivity" for generating trajectories that are minimally-sensitive to parameters with high robustness guarantees.; Le champ de la robotique aérienne pour l’interaction physique permet aujourd’hui à un robot aérien d’appliquer un effort maîtrisé sur un objet ou sur l’environnement alors qu’il vole. En s’inspirant de l’utilisation des contacts faite en robotique humanoïde, nous proposons dans cette thèse de s’appuyer sur ces approches pour dépasser l’idée que l’environnement est une contrainte, en exploitant le contact physique avec celui-ci dans le but de réaliser de la locomotion aérienne. Cette idée est étudiée et démontrée au travers de simulations et expérimentations d’une nouvelle plateforme robotique aérienne consistant en un quadrirotor équipé d’un bras robotique a 1 degré de liberté. D’autre part, nous avons aussi étudié le problème de la génération de trajectoires dont la sensibilité aux paramètres du modèle est minimale. Ce problème est généralisé à n’importe quel robot, et se révèle particulièrement approprié dans le cas du quadrirotor du fait de l’incertitude importante concernant ses paramètres inertiels et d’actionnement. Pour traiter ce problème, nous définissons et utilisons la “sensibilité de l’état aux paramètres” afin de générer des trajectoires dont la sensibilité aux paramètres est minimale, garantissant une forte robustesse.

This manuscript investigates omnidirectional catadioptric color images as Riemannian manifolds. This geometric representation offers insights into the resolution of problems related to the distortions introduced by the catadioptric system in the context of the color perception of autonomous systems. The report starts with an overview of the omnidirectional vision, the different used systems, and the geometric projection models. Then, we present the basic notions and tools of Riemannian geometry and its use in the image processing domain. This leads us to introduce some useful differential operators on Riemannian manifolds. We develop a method of constructing a hybrid metric tensor adapted to color catadioptric images. This tensor has the dual characteristic of depending on the geometric position of the image points and their photometric coordinates as well.In this work, we mostly deal with the exploitation of the previously constructed hybrid metric tensor in the catadioptric image processing. Indeed, it is recognized that the Gaussian function is at the core of several filters and operators for various applications, such as noise reduction, or the extraction of low-level characteristics from the Gaussian space- scale representation. We thus build a new Gaussian kernel dependent on the Riemannian metric tensor. It has the advantage of being applicable directly on the catadioptric image plane, also, variable in space and depending on the local image information. As a final part in this thesis, we discuss some possible robotic applications of the hybrid metric tensor. We propose to define the free space and distance transforms in the omni- image, then to extract geodesic medial axis. The latter is a relevant topological representation for autonomous navigation, that we use to define an optimal trajectory planning method.; Ce manuscrit étudie les images omnidirectionnelles catadioptriques couleur en tant que variétés Riemanniennes. Cette représentation géométrique ouvre des pistes intéressantes pour résoudre les problèmes liés aux distorsions introduites par le système catadioptrique dans le cadre de la perception couleur des systèmes autonomes. Notre travail démarre avec un état de l’art sur la vision omnidirectionnelle, les différents dispositifs et modèles de projection géométriques. Ensuite, nous présentons les notions de base de la géométrie Riemannienne et son utilisation en traitement d’images. Ceci nous amène à introduire les opérateurs différentiels sur les variétés Riemanniennes, qui nous seront utiles dans cette étude. Nous développons alors une méthode de construction d’un tenseur métrique hybride adapté aux images catadioptriques couleur. Ce tenseur a la double caractéristique, de dépendre de la position géométrique des points dans l’image, et de leurs coordonnées photométriques également. L’exploitation du tenseur métrique proposé pour différents traitements des images catadioptriques, est une partie importante dans cette thèse. En effet, on constate que la fonction Gaussienne est au cœur de plusieurs filtres et opérateurs pour diverses applications comme le débruitage, ou bien l’extraction des caractéristiques bas niveau à partir de la représentation dans l’espace-échelle Gaussien. On construit ainsi un nouveau noyau Gaussien dépendant du tenseur métrique Riemannien. Il présente l’avantage d’être applicable directement sur le plan image catadioptrique, également, variable dans l’espace et dépendant de l’information image locale. Dans la dernière partie de cette thèse, nous discutons des applications robotiques de la métrique hybride, en particulier, la détection de l’espace libre navigable pour un robot mobile, et nous développons une méthode de planification de trajectoires optimal.

This manuscript investigates omnidirectional catadioptric color images as Riemannian manifolds. This geometric representation offers insights into the resolution of problems related to the distortions introduced by the catadioptric system in the context of the color perception of autonomous systems. The report starts with an overview of the omnidirectional vision, the different used systems, and the geometric projection models. Then, we present the basic notions and tools of Riemannian geometry and its use in the image processing domain. This leads us to introduce some useful differential operators on Riemannian manifolds. We develop a method of constructing a hybrid metric tensor adapted to color catadioptric images. This tensor has the dual characteristic of depending on the geometric position of the image points and their photometric coordinates as well.In this work, we mostly deal with the exploitation of the previously constructed hybrid metric tensor in the catadioptric image processing. Indeed, it is recognized that the Gaussian function is at the core of several filters and operators for various applications, such as noise reduction, or the extraction of low-level characteristics from the Gaussian space- scale representation. We thus build a new Gaussian kernel dependent on the Riemannian metric tensor. It has the advantage of being applicable directly on the catadioptric image plane, also, variable in space and depending on the local image information. As a final part in this thesis, we discuss some possible robotic applications of the hybrid metric tensor. We propose to define the free space and distance transforms in the omni- image, then to extract geodesic medial axis. The latter is a relevant topological representation for autonomous navigation, that we use to define an optimal trajectory planning method., Ce manuscrit étudie les images omnidirectionnelles catadioptriques couleur en tant que variétés Riemanniennes. Cette représentation géométrique ouvre des pistes intéressantes pour résoudre les problèmes liés aux distorsions introduites par le système catadioptrique dans le cadre de la perception couleur des systèmes autonomes. Notre travail démarre avec un état de l’art sur la vision omnidirectionnelle, les différents dispositifs et modèles de projection géométriques. Ensuite, nous présentons les notions de base de la géométrie Riemannienne et son utilisation en traitement d’images. Ceci nous amène à introduire les opérateurs différentiels sur les variétés Riemanniennes, qui nous seront utiles dans cette étude. Nous développons alors une méthode de construction d’un tenseur métrique hybride adapté aux images catadioptriques couleur. Ce tenseur a la double caractéristique, de dépendre de la position géométrique des points dans l’image, et de leurs coordonnées photométriques également. L’exploitation du tenseur métrique proposé pour différents traitements des images catadioptriques, est une partie importante dans cette thèse. En effet, on constate que la fonction Gaussienne est au cœur de plusieurs filtres et opérateurs pour diverses applications comme le débruitage, ou bien l’extraction des caractéristiques bas niveau à partir de la représentation dans l’espace-échelle Gaussien. On construit ainsi un nouveau noyau Gaussien dépendant du tenseur métrique Riemannien. Il présente l’avantage d’être applicable directement sur le plan image catadioptrique, également, variable dans l’espace et dépendant de l’information image locale. Dans la dernière partie de cette thèse, nous discutons des applications robotiques de la métrique hybride, en particulier, la détection de l’espace libre navigable pour un robot mobile, et nous développons une méthode de planification de trajectoires optimal.

In this thesis, the trajectory planning and the control of autonomous vehicles are addressed. As a first step, a multi-body modeling technique is used to develop a four wheeled vehicle planar model. This technique considers the vehicle as a robot consisting of articulated bodies. The geometric description of the vehicle system is derived using the modified Denavit Hartenberg parameterization and then the dynamic model of the vehicle is computed by applying a recursive method used in robotics, namely Newton-Euler based Algorithm. The validation of the developed vehicle model was then conducted using an automotive simulator developed by Oktal, the Scaner-Studio simulator. The developed vehicle model is then used to derive coupled control laws for the lateral and the longitudinal vehicle dynamics. Two coupled controllers are proposed in this thesis: In the first controller, the control is designed using Lyapunov control techniques while in the second one an Immersion and Invariance approach is used. Both of the controllers aim to ensure a robust tracking of the reference trajectory and the desired speed while taking into account the strong coupling between the lateral and the longitudinal vehicle dynamics. In fact, the coupled controller is a key step for the vehicle safety handling, especially in coupled maneuvers such as lane-change maneuvers, obstacle avoidance maneuvers and combined maneuvers in critical driving situations. The developed controllers were validated in simulation under Matlab/Simulink using experimental data. Subsequently, an experimental validation of the proposed controllers was conducted using a robotized vehicle (Renault-ZOE) present in the Heudiasyc laboratory within the Equipex Robotex project. Concerning the trajectory planning, a local planning method based on the clothoid tentacles method is developed. Moreover, a maneuver planning strategy focusing on the overtaking maneuver is developed to improve and complete the local planning approach. The local and the maneuver planners are then combined in order to establish a complete navigation strategy. This strategy is then validated using the developed robotics vehicle model and the Lyapunov based controller under Matlab/Simulink., Les travaux de cette thèse portent sur la navigation des véhicules autonomes, notamment la planification de trajectoires et le contrôle du véhicule. En premier lieu, un modèle véhicule plan est développé en utilisant une technique de modélisation qui assimile le véhicule à un robot constitué de plusieurs corps articulés. La description géométrique du véhicule est basée sur la convention de Denavit-Hartenberg modifiée. Le modèle dynamique du véhicule est ensuite calculé en utilisant la méthode récursive de Newton-Euler, qui est souvent utilisée dans le domaine de robotique. La validation du modèle a été conduite sur le simulateur Scaner-Studio développé par Oktal pour les applications automobiles. Le modèle du véhicule développé est ensuite utilisé pour la synthèse de lois de commande couplées pour les dynamiques longitudinale et latérale du véhicule. Deux correcteurs sont proposés dans ce travail : le premier est basé sur les techniques de commande par Lyapunov, le second utilise une approche ”Immersion et Invariance”. Ces deux contrôleurs ont pour objectifs de suivre une trajectoire de référence donnée avec un profil de vitesse désirée, tout en tenant compte du couplage existant entre les dynamiques longitudinale et latérale du véhicule. En effet, le contrôle couplé est nécessaire pour garantir la sécurité du véhicule autonome surtout lors de l’exécution des manœuvres couplées comme les manœuvres de changement de voie, les manœuvres d’évitement d’obstacles et les manœuvres exécutées dans les situations de conduite critiques. Les contrôleurs développés ont été validés en simulation sous Matlab/Simulink en utilisant des données expérimentales. Par la suite, ces contrôleurs ont été validés expérimentalement en utilisant le véhicule démonstrateur robotisé (Renault-Zoé) du laboratoire Heudiasyc financé par l’Equipex Robotex. En ce qui concerne la planification de trajectoires, une méthode de planification basée sur la méthode des tentacules sous forme de clothoides a été développée. En outre, une méthode de planification de manœuvres qui s’intéresse essentiellement à la manœuvre de dépassement a été mise en place, afin d’améliorer et de compléter la méthode locale des tentacules. Le planificateur local et le planificateur de manœuvres ont été ensuite combinés pour établir une stratégie de navigation complète. Cette stratégie a été validée par la suite sous Matlab/Simulink en utilisant le modèle de véhicule développé et le contrôleur basé sur Lyapunov.

Nowadays, microsystems require more and more functionality in increasingly smaller volumes.However, assembly of microcomponents remains a poorly controlled step and limited to pick andplance operations for simple shaped components. These limitations are largely due to the physicalbehavior existing at the micrometric scale. In fact, below the millimeter, the surface forces (capillarity,van der Waals, etc.) become more important. As a result, the paradigm of manipulation changesradically since adhesion between the gripper and the object become visible. Thus, it is necessaryto implement original manipulation strategies enabling dexterous micromanipulation operations. Thework developed during this thesis, namely the automation of dexterous micromanipulation tasks,clearly fulfills these expectations. A trajectory planner taking into account the adhesion forces, specificto the micrometric scale, has been developed. The developed approach allows to automaticallygenerate optimal trajectories for the fingers of a micro-hand. The obtained trajectories demonstratethat the adhesion forces are particularly useful for grasping complex objects and also simplify themanipulation process. The developed method allows to manipulate and rotate any shape of objectin a plan. Also, the trajectories have been validated experimentally and thus open the way to therealization of three-dimensional micro-assemblies.; Les systèmes développés actuellement nécessitent de plus en plus de fonctionnalités dans des volumes de plus en plus réduits, augmentant ainsi leurs complexités. Pour répondre à ce besoin, des composants de taille micrométrique (compris entre 1µm et 1mm) peuvent être assemblés afin de former un microsystème complexe.Cependant, l'assemblage de micro-composants demeure une étape mal contrôlée et très limitée. Plus particulièrement à des opération de prise-dépose pour des composants de formes simples telles que des sphères ou des cubes. Ces tâches d'assemblage sont également, en grande partie, réalisées de manière télé-opérée. Ces éléments constituent donc un véritable frein au développement de microsystèmes. Ces limitations sont en grande partie dues au comportement physique observable à l'échelle micrométrique. En effet, passé sous la barre du millimètre, les forces volumiques (poids, inertie) ne sont plus prépondérantes tandis que les effets de surface (capillarité, Van der Waals, etc.) gagnent en importance. De ce fait, le paradigme de la manipulation change radicalement puisque des phénomènes d'adhésion entre le préhenseur et l'objet deviennent visibles. Ces phénomènes, considérés comme perturbateurs, empêchent de reproduire les opérations de manipulation telles que réalisées à l'échelle de l'homme. Il est ainsi nécessaire et indispensable de mettre en oeuvre des stratégies de manipulation novatrices permettant de réaliser des opérations de micromanipulation dextres et donc des micro-assemblages complexes. Les travaux développés au cours de cette thèse, à savoir l'automatisation de tâches de micromanipulation dextre à l'aide d'une micro-main, répondent clairement à ces attentes. Un planificateur de trajectoires des doigts de la micro-main prenant en compte les effets d'adhésion, spécifiques à l'échelle micrométrique, a ainsi été développé. Les trajectoires de manipulation obtenues permettent de mettre en lumière que les effets de l'adhésion sont particulièrement utiles pour saisir des objets complexes et simplifient également le processus de la manipulation. La méthode développée permet de manipuler et d'orienter n'importe quelle forme d'objet dans un plan. Les trajectoires de manipulation obtenues ont été validées aussi bien en simulation qu'expérimentalement, ouvrant ainsi la voie à la réalisation de micro-assemblages tridimensionnels.

Developments in the Intelligent Transportation Systems (ITS) field show promising results at increasing passengers comfort and safety, while decreasing energy consumption, emissions and travel time. In road transportation, the appearance of automated vehicles is significantly aiding drivers by reducing some driving-associated tedious tasks. However, there is still a long way to go before making the transition between automated vehicles (i.e. vehicles with some automated features) and autonomous vehicles on public roads (i.e. fully autonomous driving), specially from the motion planning point of view. With this in mind, the present PhD thesis proposes the design of a generic modular architecture for automated vehicles motion planning. It implements and improves curve interpolation techniques in the motion planning literature by including comfort as the main design parameter, addressing complex environments such as turns, intersections and roundabouts. It will be able to generate suitable trajectories that consider measurements' incertitude from the perception system, vehicle’s physical limits, the road layout and traffic rules. In case future collision states are detected, the proposed approach is able to change---in real-time---the current trajectory and avoid the obstacle in front. It permits to avoid obstacles in conflict with the current trajectory of the ego-vehicle, considering comfort limits and developing a new trajectory that keeps lateral accelerations at its minimum. The proposed approach is tested in simulated and real urban environments, including turns and two-lane roundabouts with different radii. Static and dynamic obstacles are considered as to face and interact with other road actors, avoiding collisions when detected. The functional architecture is also tested in shared control and arbitration applications, focusing in keeping the driver in the control loop to addition the system's supervision over drivers’ knowledge and skills in the driving task. The control sharing advanced driver assistance system (ADAS) is proposed in two steps: 1) risk assessment of the situation in hand, based on the optimal trajectory and driving boundaries identified by the motion planning architecture and; 2) control sharing via haptic signals sent to the driver through the steering wheel. The approach demonstrates the modularity of the functional architecture as it proposes a general solution for some of today's unsolved challenges in the automated driving field.; Un des buts de la recherche et du développement des systèmes de transport intelligents est d'augmenter le confort et la sécurité des passagers, tout en réduisant la consommation d'énergie, la pollution de l'air et le temps de déplacement. L'introduction de voitures complètement autonomes sur la voie publique nécessite la résolution d'un certain nombre de problèmes techniques et en particulier de disposer de modules de planification de trajectoire robustes. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre. Il propose une architecture modulaire pour la planification de trajectoire d'un véhicule autonome. La méthode permet de générer des trajectoires constituées de courbes interpolées adaptées à des environnements complexes comme des virages, des ronds-points, etc., tout en garantissant la sécurité et le confort des passagers. La prise en compte de l'incertitude des systèmes de perception, des limites physiques du véhicule, de la disposition des routes et des règles de circulation est aussi assurée dans le calcul de la trajectoire. L'algorithme est capable de modifier en temps réel la trajectoire prédéfinie de façon à éviter les collisions. Le calcul de la nouvelle trajectoire maintient les accélérations latérales à leur minimum, assurant ainsi le confort du passager. L'approche proposée a été évaluée et validée dans des environnements simulés et sur des véhicules réels. Cette méthode permet d'éviter les obstacles statiques et dynamiques repérés par le système de perception.Un système d'aide à la conduite pour le contrôle partagé basé sur cette architecture est introduit. Il prend en compte l'arbitrage, la surveillance et le partage de la conduite tout en maintenant le conducteur dans la boucle de contrôle. Il laisse le conducteur agir tant qu'il n'y a pas de danger et interagit avec le conducteur dans le cas contraire. L'algorithme se décompose donc en deux processus : 1) évaluation du risque et, s'il y a un risque avéré 2) partage du contrôle à l'aide de signaux haptiques via le volant.La méthode de planification de trajectoire présentée dans cette thèse est modulaire et générique. Elle peut être intégrée facilement dans toute architecture d'un véhicule autonome.

La robotique mobile autonome est un axe de recherche qui vise à donner à une machine la capacité de se mouvoir dans un environnement sans assistance ni intervention humaine. Cette thèse s’intéresse à la partie décisionnelle de la navigation robotique à savoir la planification de mouvement pour un robot mobile non-holonome, pour lequel, la prise en compte des contraintes cinématiques et non-holonomes est primordiale. Aussi, la nécessité de considérer la géométrie propre du robot et la bonne maîtrise de l’environnement dans lequel il évolue constituent des contraintes à assurer. En effet la planification de mouvement consiste à calculer un mouvement réalisable que doit accomplir le robot entre une position initiale et une position finale données. Selon la nature de l’environnement, notamment les obstacles qui s’y présentent, deux instances du problème se distinguent : la planification de chemin et la planification de trajectoire. L’objectif de cette thèse est de proposer de nouveaux algorithmes pour contribuer aux deux instances du problème de planification de mouvement. La méthodologie suivie repose sur des solutions génériques qui s’appliquent à une classe de systèmes robotiques plutôt qu’à une architecture particulière. Les approches proposées intègrent les B-splines Rationnelles non uniformes (NURBS) dans le processus de modélisation des solutions générées tout en s’appuyant sur la propriété de contrôle local, et utilisent les algorithmes génétiques pour une meilleure exploration de l’espace de recherche.

In order to perform a large variety of tasks in interaction with human or in human environments, a robot needs to guarantee safety and comfort for humans. In this context, the robot shall adapt its behavior and react to the environment changes and human activities. The robots based on learning or motion planning are not able to adapt fast enough, so we propose to use a trajectory controller as an intermediate control layer in the software structure. This intermediate layer exchanges information with the low level controller and the high level planner. The proposed trajectory controller, based on the concept of Online Trajectory Generation (OTG), allows real time computation of trajectories and easy communication with the different components, including path planner, trajectory generator, collision checker and controller. To avoid the replan of an entire trajectory when reacting to a human behaviour change, the controller must allow deforming locally a trajectory or accelerate/decelerate by modifying the time function. The trajectory controller must also accept to switch from an initial trajectory to a new trajectory to follow. Cubic polynomial functions are used to describe trajectories, they provide smoothness, flexibility and computational simplicity. Moreover, to satisfy the objective of aesthetics, smoothing algorithm are proposed to produce human-like motions. This work, conducted as part of the ANR project ICARO, has been integrated and validated on the KUKA LWR robot platform of LAAS-CNRS.; Comme les robots effectuent de plus en plus de tâches en interaction avec l'homme ou dans un environnement humain, ils doivent assurer la sécurité et le confort des hommes. Dans ce contexte, le robot doit adapter son comportement et agir en fonction des évolutions de l'environnement et des activités humaines. Les robots développés sur la base de l'apprentissage ou d'un planificateur de mouvement ne sont pas en mesure de réagir assez rapidement, c'est pourquoi nous proposons d'introduire un contrôleur de trajectoire intermédiaire dans l'architecture logicielle entre le contrôleur bas niveau et le planificateur de plus haut niveau. Le contrôleur de trajectoire que nous proposons est basé sur le concept de générateur de trajectoire en ligne (OTG), il permet de calculer des trajectoires en temps réel et facilite la communication entre les différents éléments, en particulier le planificateur de chemin, le générateur de trajectoire, le détecteur de collision et le contrôleur. Pour éviter de replanifier toute une trajectoire en réaction à un changement induit par un humain, notre contrôleur autorise la déformation locale de la trajectoire et la modification de la loi d'évolution pour accélérer ou décélérer le mouvement. Le contrôleur de trajectoire peut également commuter de la trajectoire initiale vers une nouvelle trajectoire. Les fonctions polynomiales cubiques que nous utilisons pour décrire les trajectoires fournissent des mouvements souples et de la flexibilité sans nécessiter de calculs complexes. De plus, les algorithmes de lissage que nous proposons permettent de produire des mouvements esthétiques ressemblants à ceux des humains. Ce travail, mené dans le cadre du projet ANR ICARO, a été intégré et validé avec les robots KUKA LWR de la plate-forme robotique du LAAS-CNRS.

In order to perform a large variety of tasks in interaction with human or in human environments, a robot needs to guarantee safety and comfort for humans. In this context, the robot shall adapt its behavior and react to the environment changes and human activities. The robots based on learning or motion planning are not able to adapt fast enough, so we propose to use a trajectory controller as an intermediate control layer in the software structure. This intermediate layer exchanges information with the low level controller and the high level planner. The proposed trajectory controller, based on the concept of Online Trajectory Generation (OTG), allows real time computation of trajectories and easy communication with the different components, including path planner, trajectory generator, collision checker and controller. To avoid the replan of an entire trajectory when reacting to a human behaviour change, the controller must allow deforming locally a trajectory or accelerate/decelerate by modifying the time function. The trajectory controller must also accept to switch from an initial trajectory to a new trajectory to follow. Cubic polynomial functions are used to describe trajectories, they provide smoothness, flexibility and computational simplicity. Moreover, to satisfy the objective of aesthetics, smoothing algorithm are proposed to produce human-like motions. This work, conducted as part of the ANR project ICARO, has been integrated and validated on the KUKA LWR robot platform of LAAS-CNRS.; Comme les robots effectuent de plus en plus de tâches en interaction avec l'homme ou dans un environnement humain, ils doivent assurer la sécurité et le confort des hommes. Dans ce contexte, le robot doit adapter son comportement et agir en fonction des évolutions de l'environnement et des activités humaines. Les robots développés sur la base de l'apprentissage ou d'un planificateur de mouvement ne sont pas en mesure de réagir assez rapidement, c'est pourquoi nous proposons d'introduire un contrôleur de trajectoire intermédiaire dans l'architecture logicielle entre le contrôleur bas niveau et le planificateur de plus haut niveau. Le contrôleur de trajectoire que nous proposons est basé sur le concept de générateur de trajectoire en ligne (OTG), il permet de calculer des trajectoires en temps réel et facilite la communication entre les différents éléments, en particulier le planificateur de chemin, le générateur de trajectoire, le détecteur de collision et le contrôleur. Pour éviter de replanifier toute une trajectoire en réaction à un changement induit par un humain, notre contrôleur autorise la déformation locale de la trajectoire et la modification de la loi d'évolution pour accélérer ou décélérer le mouvement. Le contrôleur de trajectoire peut également commuter de la trajectoire initiale vers une nouvelle trajectoire. Les fonctions polynomiales cubiques que nous utilisons pour décrire les trajectoires fournissent des mouvements souples et de la flexibilité sans nécessiter de calculs complexes. De plus, les algorithmes de lissage que nous proposons permettent de produire des mouvements esthétiques ressemblants à ceux des humains. Ce travail, mené dans le cadre du projet ANR ICARO, a été intégré et validé avec les robots KUKA LWR de la plate-forme robotique du LAAS-CNRS.

National audience; Dans le cadre des systèmes de gestion du trafic aérien du futur, nous nous intéressons ici au concept "Free Flight" dans lequel les avions ne sont plus astreints à suivre des trajectoires définies par des routes aériennes et pourraient ainsi rechercher des trajectoires optimisées relativement à un critère de coût. Dans les travaux présentés ici, le choix s'est porté sur la minimisation du temps de vol en exploitant les conditions météorologiques, tout en minimisant la congestion engendrée par l'ensemble des vols.La méthodologie mise en œuvre se déroule en deux étapes. La première consiste à calculer la trajectoire optimale en temps de vol de manière indépendante pour chaque avion. Cette planification est effectuée à l'aide d'un algorithme basé sur la méthode Ordered Upwind. A partir de ces trajectoires, nous calculons une métrique de congestion simple pour nous permettre d'évaluer la complexité du trafic. La métrique choisie ici correspond au nombre d'avions présents dans un voisinage défini à un temps donné.La deuxième étape a pour but de modifier les trajectoires initiales afin de minimiser la congestion globale du trafic. Pour cela, un algorithme de Recuit Simulé est appliqué de la façon suivante. A chaque itération, une trajectoire est tirée aléatoirement. Elle est recalculée, à l'aide de l'algorithme de la première étape, en pénalisant les zones congestionnées pour obtenir la trajectoire optimisée pour le critère pénalisé. Nous réévaluons ensuite la complexité du trafic avec cette nouvelle trajectoire.L'adaptation de l'algorithme Ordered Upwind sur la sphère, nous a permis de travailler avec des données réelles de vent et de trafic sur un espace aérien à l'échelle européenne.

In the context of the future Air Traffic Management system (ATM), one objective is to reduce the environmental impact of air traffic. With respect to this criterion, the “freeroute” concept, introduced in the mid 1990’s, is well suited to improve over nowadays airspace based ATM. Aircraft will no longer be restricted to fly along airways and may fly along fuel-optimal routes. The objective of this thesis is to introduce a novel pretactical trajectory planning methodology which aims at minimizing airspace congestion while taking into account weather conditions so as to minimize also fuel consumption.The development of the method was divided in two steps. The first step is dedicated to compute a time-optimal route for one aircraft taking into account wind conditions. This optimization is based on an adaptation of the Ordered Upwind Method on the sphere.The second step introduces a hybrid algorithm, based on simulated annealing and on the deterministic algorithm developed in the first step, in order to minimize congestion. Thus the algorithm combines the ability to reach a globally-optimal solution with a local-search procedure that speeds up the convergence., Dans le contexte du futur système de gestion du trafic aérien, un des objectifs consiste à réduire l’impact environnemental du trafic aérien. Pour respecter ce but, le concept de “free-route”, introduit dans les années 1990, semble bien adapté aujourd’hui. Les avions ne seraient plus contraints à voler le long de routes aériennes, mais pourraient suivre des trajectoires optimales en terme de consommation. L’objectif de cette thèse est d’introduire une nouvelle méthode de planification du trafic à l’horizon pré-tactique avec des objectifs quelques fois contradictoires, c’est-à-dire avec pour but de minimiser la consommation ou de façon équivalente la durée de trajet en tenant compte des conditions météorologiques et de minimiser l’encombrement de l’espace aérien.La méthode a été mise au point en deux étapes. La première étape a été consacrée au calcul d’une seule trajectoire optimale en terme de temps de vol en tenant compte du vent et de contraintes celles des zones interdites de survol. Cette optimisation est basée sur une adaptation de l’algorithme Ordered Upwind. La deuxième étape introduit un algorithme hybride développé, basé sur un algorithme de recuit simulé et sur l’algorithme déterministe développé dans la première étape, afin de minimiser un compromis entre la congestion et la consommation. L’algorithme combine ainsi la capacité d’atteindre la solution optimale globale via une recherche locale qui permet d’accélérer la convergence.Des simulations numériques avec des prévisions de vent sur du trafic européen donnent des résultats encourageants qui démontrent que la méthode globale est à la fois viable et bénéfique en terme du temps de vol total comme de la congestion globale donc de la diminution des conflits

In order to produce more fuel-efficient airplanes, the percentage and weight of composites used in structural components are increasing. Manufacturing processes for composites as Automated Tape Laying (ATL) and Automated Fiber Placement (AFP) are used to produce large parts. A part is typically made from many plies laid up on top of each other. A ply is generated by placing tapes side by side. Thus, presented research works contribute to improve manufacturing processes for composites. The aim of the study is to increase the productivity of ATL and AFP by taking into account problems of tool path planning and tool path following up. Firstly, the aim of tool path planning is to optimize the tool path orientation in order to minimize the number of cuts of composite because cuts of composite during manufacturing can slowdown the machine and leave areas without carbon on the surface that weaken the part. Secondly, an optimization method of the head orientation is developed. This method is based on a smoothing of the rotational axes variation and takes advantage of the degree of redundancy of the machine to decrease the kinematic loaded of the machine. This method leads to increase the productivity while ensuring the quality of the final part. Proposed methods of tool path optimization have been implemented in CAM demonstration software dedicated to ATL and AFP and validated on industrial parts. Thus, all the programming process of ATL and AFP machines has been studied from the tool path computation to the simulation of the machine movements., En réponse à l'augmentation constante du prix du pétrole, le pourcentage des pièces de structure aéronautiques fabriquées en matériaux composites est en nette augmentation. Les procédés de dépose de composite (drapage de bandes et placement de fibres) permettent de fabriquer des pièces multicouches de grandes dimensions en disposant des bandes de composite de carbone pré-imprégné les unes à côté des autres. Ainsi, les travaux de recherche présentés dans ce mémoire contribuent à l'amélioration de la mise en oeuvre des procédés de fabrication de pièces aéronautiques en matériau composite. L'étude s'est focalisée sur l'augmentation de la productivité des procédés de dépose en considérant les problèmes de planification et de suivi de trajectoires de dépose des machines de dépose. Premièrement, la tâche de planification de trajectoires consiste à optimiser la direction des trajectoires de dépose de façon à minimiser le nombre de découpes de composite. Deuxièmement, la réduction des sollicitations cinématiques de la machine lors du suivi de trajectoires de dépose est basée sur un lissage des axes rotatifs associé à une méthode de résolution de la redondance de la machine-outil. Cette méthode conduit à une diminution du temps de dépose tout en assurant la qualité de la pièce finie. Les méthodes d'optimisation de trajectoires proposées ont été implémenées sur un logiciel de FAO de démonstration dédié aux procédés de dépose et validées sur des pièces industrielles. Ainsi l'ensemble du processus de programmation des machines de dépose a été étudié, de la génération de trajectoire à la simulation des mouvements de la machine

National audience; L'analyse de la croissance du trafic aérien prévoit un doublement du nombre de vols dans les vingt prochaines années. Le système de gestion du trafic aérien (ATM) devra augmenter en conséquence la capacité de l'espace aérien tout en assurant un niveau de sécurité et d'interopérabilité au moins équivalent à ce qui existe actuellement. Le projet européen SESAR a été initié afin de proposer des solutions à ce problème. Il s'appuie sur un nouveau concept de contrôle du trafic, appelé trajectoire 4D, et qui consiste à exploiter les possibilités des systèmes de gestion du vol (FMS) afin de garantir les positions des avions à un temps donné. Pour chaque vol, une trajectoire de référence, appelée RBT, est demandée par la compagnie opératrice. Au cours du vol, il peut néanmoins apparaître des situations dites de conflit, dans lesquelles un rapprochement dangereux des aéronefs peut avoir lieu. Dans ce cas, il est nécessaire de modifier une ou plusieurs trajectoires afin de s'assurer que les normes de séparation minimales ( actuellement 5 Nm en horizontal et de 1000 ft en vertical) soient satisfaites. Il est souhaitable de plus que les nouvelles trajectoires proposées dévient le moins possible des RBT. Il existe actuellement deux classes de méthodes permettant cette opération : les algorithmes génétiques [1] et les fonctions de navigation [2]. Chacune n'apporte qu'une réponse partielle : les algorithmes génétiques permettent l'obtention de façon asymptotique de la solution optimale, mais ne garantissent pas l'obtention d'une solution admissible en un temps borné ; les fonctions de navigations quant à elles assurent l'absence de conflit mais éventuellement en tolérant de grandes déviations par rapport à la RBT. L'objectif de la méthode que nous proposons, basée sur une analogie avec l'optique, est de trouver pour chaque avion une trajectoire optimale 4D évitant les conflits et minimisant un critère basé sur une métrique locale.

[Departement_IRSTEA]Ecotechnologies [TR1_IRSTEA]INSPIRE; International audience; This paper addresses the problem of path generation and motion control for the autonomous maneuvers of a farm vehicle in headland. A reverse turn planner is firstly investigated, based on primitives connected together to easily generate the reference motion. Then, both steering and speed control algorithms are presented to accurately guide the vehicle. They are based on a kinematic model extended with additional sliding parameters and on model predictive control approaches. Real world experiments have been carried out on a low adherent terrain with an experimental mobile robot. At the end of each row, the reverse turn is automatically generated to connect the next reference track, and the maneuver is autonomously performed by the vehicle. Reported experiments demonstrate the capabilities of the proposed algorithms.

This thesis presents the study and the implementation of a system that manages autonomously the configuration of a formation of unmanned aerial vehicles, or UAVs. The purposes are to improve the safety and the efficiency of a group of military UAVs, and to fill the gap between mission planning layers and formation control layers. Formation flight is particularly suited for military applications in hostile environments, that require synchronizations on target arrivals or mutual support for jamming. One of the difficulties raised is the autonomous choice of the configuration. Our approach is to develop an intermediate layer, dedicated to the formation and to the management of its configuration, between the deliberative and functionnal layers. Once a configuration is specified, it has to be allocated to the UAVs according to the tactical constraints and the available ressources. As the safety of the flight is a prime issue, reconfiguration maneuvers are planned to switch between two configurations, with respect to a security distance. Solutions have been developed based on the Branch & Bound algorithm to solve the assigment problems, and on the A* algorithm for reconfiguration trajectories planning. Moreover, a formation control has been implemented, allowing to validate our approach, both with simulations and real experimentations.; L'objet de cette thèse est l'étude et la mise en oeuvre d'un système de gestion automatique de la configuration d'une formation d'avions sans pilote, ou drones. Les objectifs sont, d'une part, d'améliorer la sécurité et l'efficacité d'un groupe de drones de combat, et, d'autre part, de faire le lien entre les niveaux de planification de missions et les niveaux fonctionnels de contrôle de la formation. Le vol en formation est particulièrement bien adapté pour des applications militaires en milieux hostiles, qui requièrent des synchronisations pour l'arrivée sur les cibles ou du support mutuel pour le brouillage. L'une des difficultés soulevées est le choix autonome de la configuration. Notre approche est de mettre en oeuvre, entre les niveaux décisionnels et les niveaux fonctionnels, une couche intermédiaire dédiée à la formation et à la gestion autonome de sa configuration. La configuration ainsi déterminée doit être affectée aux avions de la formation en tenant compte des contraintes tactiques et des ressources de chacun. Enfin, la sécurité du vol est un élément primordial. Il faut donc pouvoir planifier des manoeuvres de reconfiguration pour passer d'une configuration à une autre, en respectant les distances minimales entres avions. Des solutions ont été développées à partir de l'algorithme Branch & Bound pour résoudre les problèmes d'allocations, et de l'algorithme A* pour la planification de trajectoires dans la formation. De plus, un contrôle de vol de la formation a été implémenté. Ceci a permis de valider notre approche par des simulations et des expérimentations réelles.

On considère le problème d'estimation de la phase initiale (ou angle de calage) à partir de mouvements micrométriques pour les moteurs synchrones. La méthode n'utilise que des mesures de déplacement et le gain du moteur, sa charge et les frottements sont inconnus. Le modèle utilisé est à second membre discontinu en raison des frottements. On génère une famille de trajectoires (méthode active) permettant d'obtenir la phase initiale comme fonction de l'amplitude des déplacements en séparant les contributions de la phase initiale, des frottements et de la masse. Cette séparation est obtenue grâce à une classification des comportements dynamiques du système à second membre discontinu en réponse à des entrées périodiques. Une formule approchée de l'estimée est proposé et des résultats expérimentaux présentés. On compare ces résultats avec ceux d'une méthode classique, implémentable dans les mêmes conditions.

Article dans revue scientifique avec comité de lecture.; International audience; In this paper, we consider the problem of computing shortest paths of bounded curvature amidst obstacles in the plane. More precisely, given two prescribed initial and final configurations (specifying the location and the direction of travel) and a set of obstacles in the plane, we want to compute a shortest $C^1$ path joining those two configurations, avoiding the obstacles, and with the further constraint that, on each $C^2$ piece, the radius of curvature is at least 1. In this paper, we consider the case of moderate obstacles (as introduced by Agarwal et al.) and present a polynomial-time exact algorithm to solve this problem.

The present study, carried out in the automotive field, concerns the integration of observation, supervision and control tasks in vehicles. The aim is the development of a driver aid system based on the vehicle location. The NAICC project includes two research activities concerning the longitudinal and lateral control of a car. In the longitudinal part, the system adapts the speed to the driving task. In the lateral part, it corrects the trajectory thanks to a reference path computed on-line. This driver aid system consists of a location module identifying the vehicle on an extended database. Using the determined location and the road characteristics stored in the database, NAICC determines a reference path and the associated speed for a given driving situation. Precise vehicle location as well as precise environment information are required to perform the control tasks. Data fusion techniques, coupled to a new generation of database, are used to obtain the required precision.; Le sujet de cette thèse vise l'intégration dans une automobile de fonctions d'observation, de supervision, d'aide à la décision ou encore de commande. La problématique est le développement d'une assistance à la conduite longitudinale et latérale basée sur la localisation du véhicule. Le but est de signaler et corriger les faiblesses de conduite en considérant les paramètres du véhicule, du conducteur et la topologie de la route. Selon la localisation du véhicule, une trajectoire de référence et la vitesse associée sont déterminées en fonction du conducteur et de la phase de conduite. Ces références sont utilisées pour effectuer le contrôle du véhicule ou pour informer le conducteur de l'inadéquation de ses consignes. Dans ce contexte, la localisation du véhicule et particulièrement les informations de l'environnement d'évolution doivent être pertinentes. Elles sont obtenues grâce à une base de données cartographique spécifiquement développée dans le cadre de ces travaux. Celle-ci est caractérisée par une précision supérieure à celle des bases de données traditionnellement employées dans des dispositifs de navigation.

The present study, carried out in the automotive field, concerns the integration of observation, supervision and control tasks in vehicles. The aim is the development of a driver aid system based on the vehicle location. The NAICC project includes two research activities concerning the longitudinal and lateral control of a car. In the longitudinal part, the system adapts the speed to the driving task. In the lateral part, it corrects the trajectory thanks to a reference path computed on-line. This driver aid system consists of a location module identifying the vehicle on an extended database. Using the determined location and the road characteristics stored in the database, NAICC determines a reference path and the associated speed for a given driving situation. Precise vehicle location as well as precise environment information are required to perform the control tasks. Data fusion techniques, coupled to a new generation of database, are used to obtain the required precision.; Le sujet de cette thèse vise l'intégration dans une automobile de fonctions d'observation, de supervision, d'aide à la décision ou encore de commande. La problématique est le développement d'une assistance à la conduite longitudinale et latérale basée sur la localisation du véhicule. Le but est de signaler et corriger les faiblesses de conduite en considérant les paramètres du véhicule, du conducteur et la topologie de la route. Selon la localisation du véhicule, une trajectoire de référence et la vitesse associée sont déterminées en fonction du conducteur et de la phase de conduite. Ces références sont utilisées pour effectuer le contrôle du véhicule ou pour informer le conducteur de l'inadéquation de ses consignes. Dans ce contexte, la localisation du véhicule et particulièrement les informations de l'environnement d'évolution doivent être pertinentes. Elles sont obtenues grâce à une base de données cartographique spécifiquement développée dans le cadre de ces travaux. Celle-ci est caractérisée par une précision supérieure à celle des bases de données traditionnellement employées dans des dispositifs de navigation.

Article dans revue scientifique avec comité de lecture.; It has recently been shown that any polygonal chain in the plane can be reconfigured to lie on a straight line, and any polygon can be reconfigured to be convex. This result cannot be extended to tree linkages: we show that there are trees with two configurations that are not connected by a motion. Indeed, we prove that an $N$-link tree can have $2^{Omega(N)}$ equivalence classes of configurations.

Flatness has been already well defined and widely studied for finite dimensional dynamical systems. One of the remarquable consequences of this property is to allow parametrization of trajectories (both state and control) by free functions and their derivatives. It therefore provides an easy solution to an important problem in control theory : motion planning. For linear finite dimensional systems, flatness is exactly equivalent to controllability, via the Brunovsky canonical decomposition. This work proposes a definition of flatness for a class of infinite dimensional systems and extends Brunovsky canonical decomposition to infinite dimension. Following this new definition, the problem of flatness for a general linear 1-D diffusion equation is completely studied. A method allowing the effective computation of flat trajectories is given, and the canonical nature of this representation of trajectories is proved. Other example are studied, including the linear Kortewerg De Vries 1-D equation and a 2-D diffusion equation, which shows that the method is applicable to a wide range of problems.; La notion de platitude aété bien définie et largement étudiée pour les systèmes dynamiques de dimension finie. Une des conséquences marquantes de cette propriété est de permettre la paramétrisation des trajectoires (état et commande) par des fonctions libres et leurs dérivées, rendant ainsi aisée la solution d'un problème important en contrôle des systèmes dynamiques: la planification de trajectoires. Pour les systèmes linéaires de dimension finie, on a coïncidence exacte entre platitude et commandabilité, via la mise sous forme de Brunovsky. La possibilité de définir une notion convenable de platitude en dimension infinie, et d'étendre la notion de forme de Brunovsky à certaines classes de systèmes de dimension infinie est examinée, et une définition de la platitude est proposée pour ces systèmes. L'étude de la platitude de l'équation générale de diffusion à une variable d'espace est complètement traitée. Une méthode d'obtention d'une paramétrisation d'une famille dense de trajectoires est proposée, et la canonicité de la représentation de ces trajectoires est démontrée. Divers cas d'étude sont proposés, avec des applications à la planification de trajectoires. L'étude complète de l'équation de Korteweg-De Vries mono-dimensionnelle linéaire est réalisée, ainsi que celle d'un problème de diffusion à deux variables d'espace, montrant les possibilités d'extension de la méthode à un cadre beaucoup plus général.

Flatness has been already well defined and widely studied for finite dimensional dynamical systems. One of the remarquable consequences of this property is to allow parametrization of trajectories (both state and control) by free functions and their derivatives. It therefore provides an easy solution to an important problem in control theory : motion planning. For linear finite dimensional systems, flatness is exactly equivalent to controllability, via the Brunovsky canonical decomposition. This work proposes a definition of flatness for a class of infinite dimensional systems and extends Brunovsky canonical decomposition to infinite dimension. Following this new definition, the problem of flatness for a general linear 1-D diffusion equation is completely studied. A method allowing the effective computation of flat trajectories is given, and the canonical nature of this representation of trajectories is proved. Other example are studied, including the linear Kortewerg De Vries 1-D equation and a 2-D diffusion equation, which shows that the method is applicable to a wide range of problems., La notion de platitude aété bien définie et largement étudiée pour les systèmes dynamiques de dimension finie. Une des conséquences marquantes de cette propriété est de permettre la paramétrisation des trajectoires (état et commande) par des fonctions libres et leurs dérivées, rendant ainsi aisée la solution d'un problème important en contrôle des systèmes dynamiques: la planification de trajectoires. Pour les systèmes linéaires de dimension finie, on a coïncidence exacte entre platitude et commandabilité, via la mise sous forme de Brunovsky. La possibilité de définir une notion convenable de platitude en dimension infinie, et d'étendre la notion de forme de Brunovsky à certaines classes de systèmes de dimension infinie est examinée, et une définition de la platitude est proposée pour ces systèmes. L'étude de la platitude de l'équation générale de diffusion à une variable d'espace est complètement traitée. Une méthode d'obtention d'une paramétrisation d'une famille dense de trajectoires est proposée, et la canonicité de la représentation de ces trajectoires est démontrée. Divers cas d'étude sont proposés, avec des applications à la planification de trajectoires. L'étude complète de l'équation de Korteweg-De Vries mono-dimensionnelle linéaire est réalisée, ainsi que celle d'un problème de diffusion à deux variables d'espace, montrant les possibilités d'extension de la méthode à un cadre beaucoup plus général.

Les travaux présentés dans cet article ont pour objectif l'amélioration de la conduite de robots mobiles, que ceux-ci soient manoeuvrables (c'est-à-d- ire capables de tourner sur place) ou que leurs déplacements soient plus contraints (comme ceux des voitures, par exemple). Pour atteindre ce but, nous avons commencé tout d'abord par une étude des travaux existant dans ce domaine. Cette étude a permis de généraliser plusieurs approches mises en oeuvre pour des problèmes connexes, afin d'une part de définir et d'étudier un nouveau problème de planification de mouvement et d'autre part de proposer une méthode pour résoudre ce problème. Enfin, les solutions obtenues par cette méthode ont été comparées aux solutions fournies par les méthodes classiques, afin d'expliciter leur apport.

Also published as INRIA research repport RR-3994 (http://www.inria.fr/rrrt/rr-3994.html)/http://www.poleditions.com; Les travaux présentés dans cet article ont pour objectif l'amélioration de la conduite de robots mobiles, que ceux-ci soient manoeuvrables (c'est-à-dire capables de tourner sur place) ou que leurs déplacements soient plus contraints (comme ceux des voitures, par exemple). Pour atteindre ce but, nous avons commencé tout d'abord par une étude des travaux existant dans ce domaine. Cette étude a permis de généraliser plusieurs approches mises en oeuvre pour des problèmes connexes, afin d'une part de définir et d'étudier un nouveau problème de planification de mouvement et d'autre part de proposer une méthode pour résoudre ce problème. Enfin, les solutions obtenues par cette méthode ont été comparées aux solutions fournies par les méthodes classiques, afin d'expliciter leur apport.

We study the problem of computing the free space F of a simple legged robot called the spider robot. The body of this robot is a single point and the legs are attached to the body. The robot is subject to two constraints: each leg has a maximal extension R (accessibility constraint) and the body of the robot must lie above the convex hull of its feet (stability constraint). Moreover, the robot can only put its feet on some regions, called the foothold regions. The free space F is the set of positions of the body of the robot such that there exists a set of accessible footholds for which the robot is stable. We present an efficient algorithm that computes F in O(n2 log n) time using O(n2 alpha(n)) space for n discrete point footholds where alpha(n) is an extremely slowly growing function (alpha(n), 29 pages, 22 figures, prelininar results presented at WAFR94 and IEEE Robotics & Automation 94

The work presented in this thesis deals with optimal motion planning, in the presence of obstacles, of car-like robots and legged robots. The model of car-like robot studied is the one of Dubins. That is, roughly speaking, a car moving forward with a minimum turning radius. We consider the problem of computing a convex hull of bounded curvature of a set S of points in the plane, that is a set containing S and whose boundary is a curve of bounded curvature of minimal length. We prove that, if the radius of the smallest disk that contains S is greater than 1, such a hull is unique. We show that the computation of a convex hull of bounded curvature reduces to convex programming or to solving a set of algebraic systems. We also present an exact polynomial-time algorithm for computing a shortest path for the Dubins robot moving amidst moderate obstacles, that is obstacles whose boundaries are curves of bounded curvature made of line segments and arcs of circle. Such obstacles can be found by computing convex hulls of bounded curvature of polygonal obstacles. The algorithm computes a graph and finds a shortest path in this graph. The graph is computed using computational geometry methods and resolution of algebraic systems. We also worked on the motion planning problem of a legged robot whose body is a single point and whose legs are attached to the body. The legs have a bounded length and the robot can only put its feet in some polygonal regions of the plane. We present an almost optimal time algorithm for computing the set of stable placements of the body of the robot. By a clever transformation, we turn the problem into the computation of the free space of a half-disk robot moving amidst obstacles.; 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.

The ultimate goal of a path planner is to find a path in the configurationspace from the initial position to the target. However, whilesearching for this path, an interesting sub-goal to consider may be totry to collect information about the free space and about thepossible paths to go about in that space. The ARIADNE'S CLEW algorithmtries to do both at the same time. An EXPLORE algorithm collectsinformation about the free space with an increasingly fine resolution,while, in parallel, a SEARCH algorithm opportunistically checks if thetarget can be reached. The EXPLORE algorithm works by placinglandmarks in the search space in such a way that a path from theinitial position to any landmark is known. In order to learn as muchas possible about the free space the EXPLORE algorithm tries to spreadthe landmarks all over this space. To do so, it tries to put thelandmarks as far as possible from one another. For each new landmarkproduced by the EXPLORE algorithm, the SEARCH algorithm checks with alocal method if the target may be reached from that landmark. TheARIADNE'S CLEW algorithm is fast in most cases, in addition, it is acomplete planner which will find a path if one exists. The resolution at which the space is scanned and the time spend to doso, automatically adapts to the difficulty of the problem. Both theEXPLORE and the SEARCH algorithms are expressed as optimizationproblems. A massively parallel implementation of our method has been implementedfor a six degree-of-freedom arm in a parallel machine (The Mega-Node). In our experimental setup two robots are used. The first robot namedMOBILE ROBOT is under the control of the Mega-Node running theparallel implementation of the Ariadne's Clew algorithm. The secondrobot named OBSTACLE ROBOT is used as a dynamical obstacle: it iscontrolled by our robot simulation package ACT which generates randommoves in order to disturb the MOBILE ROBOT.First we use our robot simulation package ACT to describe the scenewith the two robots. We place the static obstacles giving an initialposition for the OBSTACLE ROBOT. Then, we compile automatically this representation into a special one which is downloaded into the Mega Node. A final positionis then specified to the MOBILE ROBOT, the Mega-node quickly (2 seconds)produces a plan which assumes that the OBSTACLE ROBOT is standing still.When the position of the OBSTACLE ROBOT changes under the control ofACT the MOBILE ROBOT stops and the Mega-Node (re)computes anotherpath using the new position of the OBSTACLE ROBOT. This loop continuesuntil the MOBILE ROBOT has reached the specified final position. Atthis moment, a new goal can be specified., Nous presentons une methode generale de planification : L'algorithme Fil d'Ariane. Cette methode est appliquee au probleme de la planification automatique de trajectoires. L'originalite de la methode reside dans son adaptation automatique a la complexite du probleme pose. La planification automatique de trajectoires est transformee en un probleme d'optimisation d'une fonctionnelle del'espace des plans dans $R^+$. Cette optimisation permet d'explorerles positions accessibles a partir d'une configuration initiale. Lamethode ne construit pas l'espace des configurations; par contre, amesure que le temps passe, une approximation de plus en plus fine del'espace accessible est construite. Cette approximation est faite parun premier algorithme appele l'algorithme $EXPLORE$ qui garantit lacompletude pour une resolution donnee de la methode. D'autre part,un deuxieme algorithme, l'algorithme $SEARCH$, permet d'accelererla recherche d'un chemin et d'atteindre la configuration finale. Enresume, la methode proposee permet de construire un planificateurcomplet pour une resolution donnee qui exploite d'une maniereefficace l'espace des plans pour explorer l'espace des configurations.Nous avons implante deux planificateurs bases sur l'algorithme Fild'Ariane : le premier est un planificateur de trajectoires pour unrobot mobile holonome, et le deuxieme, notre experimentationprincipale, un planificateur de trajectoires pour un bras manipulateura six degres de liberte. Pour ce dernier, nous avons realise uneimplantation de notre algorithme sur une machine massivementparallele et planifie les mouvements d'un bras a 6 degres deliberte.Pour optimiser les fonctions des algorithmes EXPLORE et SEARCH nousavons utilise les algorithmes genetiques. Ces algorithmessont des methodes d'optimisation stochastiques facilementparallelisables.