Дисертації з теми "Estimation par horizon mobile"

Les quadrotors sont de plus en plus présents dans notre vie quotidienne et sont utilisés dans de nombreuses applications, des services de livraison aux spectacles de drones. Beaucoup de leurs applications impliquent un contact étroit avec les humains. Si un défaut survient sur le quadrotor, notamment sur un des moteurs, cela pourrait entraîner des événements catastrophiques, des blessures et des pertes d'équipements coûteuses, voire la mort. Il est donc essentiel de se concentrer sur l'amélioration de leur sécurité et de leur fiabilité grâce à des algorithmes bien conçus qui peuvent détecter et compenser les défauts affectant les drones.Une autre source courante de défaillance des drones est de se retrouver dans une orientation difficile, telle qu'une orientation renversée, en raison de perturbations éoliennes puissantes ou d'une collision avec un mur ou un autre drone. Les contrôleurs linéaires basés sur des modèles simplifiés linéarisés autour du point de vol stationnaire et utilisant les angles d'Euler pour les représentations d'attitude sont moins susceptibles de récupérer le drone de cette orientation.L'objectif principal de cette thèse est d'améliorer la sécurité et la fiabilité des quadrotors en abordant les problèmes susmentionnés. Cela est réalisé en concevant des algorithmes de commande tolérants aux défauts qui peuvent atteindre une précision de suivi de trajectoire sous des contraintes d'actionneur et en présence de perte partielle d'actionneur et de bruit de mesure. En outre, il étend cet objectif en élaborant un algorithme qui permet de récupérer à partir d'orientations aléatoires, d'effectuer des manœuvres acrobatiques de retournement et d'atteindre un suivi de trajectoire précis, le tout en présence de défauts et de contraintes d'actionneur.Tout d'abord, la modélisation des quadrotors et plusieurs représentations d'attitude sont étudiées. Plusieurs modèles non linéaires basés sur diverses représentations d'attitude, telles que les angles d'Euler, les quaternions et les matrices de rotation, sont introduits.Un cadre de commande tolérante aux défauts actifs (AFTC) est présenté, qui intègre un module de détection et de diagnostic des défauts (FDD) basé sur un observateur non linéaire algébrique peu coûteux et un contrôleur tolérant aux défauts basé sur une commande prédictive basée sur un modèle non linéaire (NMPC). Nous pouvons ainsi atteindre une précision de suivi de trajectoire sous des contraintes d'actionneur et en présence de défauts d'actionneur.La thèse propose également un cadre de commande AFTC qui est entièrement basée sur une optimisation contrainte non linéaire. Ce cadre combine l'estimation à horizon mobile non linéaire (NMHE) en tant que module FDD et le contrôleur tolérant aux pannes basé sur la commande prédictive non linéaire (NMPC). NMHE est capable d'estimer simultanément les états et les pannes d'actionneurs à partir de mesures bruitées tout en maintenant des contraintes, ce qui permet d'obtenir un suivi de trajectoire précis en présence de pannes d'actionneurs et de mesures bruitées lorsqu'il est combiné avec le NMPC.Enfin, un nouvel algorithme de commande géométrique tolérant aux pannes est présenté. Il permet à un quadrotor de récupérer d'orientations arbitraires (drone presque renversé), d'effectuer des manœuvres acrobatiques de retournement et d'atteindre une précision de suivi de trajectoire, le tout en présence de pannes d'actionneurs et de contraintes. L'algorithme présenté démontre une performance supérieure et une sécurité et une fiabilité accrues par rapport à un contrôleur géométrique de référence issu de la littérature. Contrairement au nouvel algorithme présenté, le contrôleur de référence échoue à effectuer les mêmes missions en présence de pannes d'actionneurs. Les résultats de cette partie sont validés dans une simulation ROS-Gazebo et une preuve de concept est validée expérimentalement
Quadrotors have become increasingly present in our daily lives and are used in a wide range of applications, from delivery services to drone light shows. Many of its applications include close contact with humans. Should any fault occur to the quadrotor such on a motor, it could lead to catastrophic events, from injuries and expensive equipment loss to death. It is thus essential to focus on improving their safety and reliability through well-designed algorithms that can detect and compensate for faults affecting the drones.Another common source of drone failure is getting into a difficult orientation, such as an upside-down orientation, due to, for instance, strong wind disturbances or collision with a wall or with another drone. Linear controllers that are based on simplified models linearized around the hovering point and utilizing Euler angles for attitude representations are less likely to recover the drone from such orientation.The main objective of this thesis is to improve the safety and reliability of aerial robots by addressing the aforementioned problems. This is achieved by designing Fault-Tolerant Control (FTC) algorithms that can achieve precise trajectory tracking under actuator constraints and in the presence of partial loss of effectiveness actuator fault and measurement noise. Furthermore, it expands on this goal by devising an algorithm that allows for recovery from random orientations, performing acrobatic flip maneuvers, and achieving precise trajectory following, all in the presence of actuator faults and constraints.First, quadrotor modeling and several attitude representations are investigated. Several nonlinear models based on various attitude representations, such as Euler angles, quaternions, and rotation matrices, are introduced.Additionally, an Active Fault-Tolerant Control (AFTC) framework is presented, which integrates a fault detection and diagnosis (FDD) module based on a computationally cheap nonlinear algebraic observer and a fault-tolerant controller based on Nonlinear Model Predictive Control (NMPC). This framework can achieve precise trajectory tracking under actuator constraints and in the presence of actuator faults.The thesis also proposes an AFTC framework that is completely based on nonlinear constrained optimization. This framework combines Nonlinear Moving Horizon Estimation (NMHE) as an FDD module and NMPC as a fault-tolerant controller. NMHE is capable of simultaneously estimating states and actuator faults from noisy measurements while maintaining constraints, thus resulting in precise trajectory tracking under actuator faults and noisy measurements when combined with NMPC.Finally, a novel fault-tolerant geometric control algorithm is presented. It allows a quadrotor to recover from arbitrary orientations (almost upside-down), perform acrobatic flip maneuvers, and achieve precise trajectory tracking, all in the presence of actuator faults and constraints. The presented algorithm demonstrates superior performance and higher safety and reliability compared to a baseline geometric controller from the literature. Unlike the presented novel algorithm, the baseline controller fails to perform the same missions when under actuator faults. The results of this part are validated in a ROS-Gazebo simulation, and a proof of concept is validated through hardware experiments

Cette thèse aborde le problème d’estimation des paramètres de signaux d’usagers radio-mobile par traitement avec antenne-réseau. On adopte une approche de traitement théorique rigoureuse au problème en tentant de pallier aux limitations et désavantages des méthodes d’estimation existantes en ce domaine. Les chapitres principaux ont été rédigés en couvrant uniquement les aspects théoriques en lien aux contributions principales, tout en présentant une revue de littérature adéquate sur les sujets concernés. La thèse présente essentiellement trois volets distincts en lien à chacune des contributions en question. Suite à une revue des notions de base, on montre d’abord comment une méthode d’estimation exploitant des statistiques d’ordre supérieur a pu être développée à partir de l’amélioration d’un algorithme existant en ce domaine. On présente ensuite le cheminement qui a conduit à l’élaboration d’une technique d’estimation non linéaire exploitant les propriétés statistiques spécifiques des enveloppes complexes reçues, et ne possédant pas les limitations des algorithmes du second et quatrième ordre. Finalement, on présente le développement relatif à un algorithme d’estimation exploitant le caractère cyclostationnaire intrinsèque des signaux de communication dans un environnement asynchrone naturel. On montre comment un tel algorithme parvient à estimer la matrice de canal des signaux incidents indépendamment du caractère de corrélation spatiotemporel du bruit, et permettant de ce fait même une pleine exploitation du degré de liberté du réseau. La procédure d’estimation consiste en la résolution d’un problème de diagonalisation conjointe impliquant des matrices cibles issues d’une opération différentielle entre des matrices d’autocorrélation obtenues uniquement à partir de statistiques d’ordre deux. Pour chacune des contributions, des résultats de simulations sont présentés afin de confirmer l’efficacité des méthodes proposées.
This thesis addresses the problem of parameter estimation of radio signals from mobile users using an antenna array. A rigorous theoretical approach to the problem is adopted in an attempt to overcome the limitations and disadvantages of existing estimation methods in this field. The main chapters have been written covering only the theoretical aspects related to the main contributions of the thesis, while at the same time providing an appropriate literature review on the considered topics. The thesis is divided into three main parts related to the aforesaid contributions. Following a review of the basics concepts in antenna array processing techniques for signal parameter estimation, we first present an improved version of an existing estimation algorithm expoiting higher-order statistics of the received signals. Subsequently, we show how a nonlinear estimation technique exploiting the specific statistical distributions of the received complex envelopes at the array can be developed in order to overcome the limitations of second and fourth-order algorithms. Finally, we present the development of an estimation algorithm exploiting the cyclostationary nature of communication signals in a natural asynchronous environment. We show how such an algorithm is able to estimate the channel matrix of the received signals independently of the spatial or temporal correlation structure of the noise, thereby enabling a full exploitation of the array’s degree of freedom. The estimation process is carried out by solving a joint diagonalization problem involving target matrices computed by a differential operation between autocorrelation matrices obtained by the sole use of second-order statistics. Various simulation experiments are presented for each contribution as a means of supporting and evidencing the effectiveness of the proposed methods.

This thesis consists of four independent papers concerningthe control of mobile robots in the context of obstacleavoidance and formation keeping.

The first paper describes a new theoreticallyv erifiableapproach to obstacle avoidance. It merges the ideas of twoprevious methods, with complementaryprop erties, byusing acombined control Lyapunov function (CLF) and model predictivecontrol (MPC) framework.

The second paper investigates the problem of moving a fixedformation of vehicles through a partiallykno wn environmentwith obstacles. Using an input to state (ISS) formulation theconcept of configuration space obstacles is generalized toleader follower formations. This generalization then makes itpossible to convert the problem into a standard single vehicleobstacle avoidance problem, such as the one considered in thefirst paper. The properties of goal convergence and safetyth uscarries over to the formation obstacle avoidance case.

In the third paper, coordination along trajectories of anonhomogenuos set of vehicles is considered. Byusing a controlLyapunov function approach, properties such as boundedformation error and finite completion time is shown.

Finally, the fourth paper applies a generalized version ofthe control in the third paper to translate,rotate and expanda formation. It is furthermore shown how a partial decouplingof formation keeping and formation mission can be achieved. Theapproach is then applied to a scenario of underwater vehiclesclimbing gradients in search for specific thermal/biologicalregions of interest. The sensor data fusion problem fordifferent formation configurations is investigated and anoptimal formation geometryis proposed.

Keywords:Mobile Robots, Robot Control, ObstacleAvoidance, Multirobot System, Formation Control, NavigationFunction, Lyapunov Function, Model Predictive Control, RecedingHorizon Control, Gradient Climbing, Gradient Estimation.

La these fait le lien entre l'apprentissage connexionniste et le probleme d'estimer une fonction de regression a partir d'exemples. Dans un premier temps, l'apprentissage connexionniste est decrit, et nous montrons qu'il tend a estimer la fonction de regression. La suite de la these est consacree au probleme d'estimer une telle fonction. Nous donnons les limites theoriques inherentes a ce probleme, et les principaux algorithmes de resolution. Nous comparons certains de ces algorithmes sur des donnees provenant d'un simulateur de robot mobile

La pollution sonore en milieu urbain est un enjeu sanitaire important, et l'exposition des populations doit être estimée adéquatement. Les simulations qui permettent de générer les cartes de bruit employées à cet effet sont cependant entachées d'erreurs. L'observation de l'environnement est alors judicieuse car elle permet la récolte d'informations supplémentaires en différents points de l'espace et à différents instants. Nous proposons dans cette thèse des méthodes d'assimilation de données permettant la fusion d'une carte de bruit issue de la simulation (ébauche), et d'observations acquises via l'application mobile Ambiciti. La fiabilité des observations est évaluée dans différents contextes, et nous mettons en place une méthode d'étalonnage qui permet de réduire autant que possible le biais de mesure. La combinaison de l'ébauche et des observations résulte en un estimateur nommé analyse, dont la variance de l'erreur est minimisée grâce à une estimation préalable des erreurs suivantes : corrélations spatiales des erreurs d'ébauche; erreurs d'instrumentation, de représentativité temporelle et spatiale pour l'observation. Une méthode d'assimilation à l'échelle du quartier est développée afin de générer des cartes horaires à partir d'une carte d'ébauche de bruit moyen sur une période de la journée, et d'observations acquises par un expérimentateur à travers Ambiciti. Une seconde méthode exploite l'ensemble des données partagées anonymement par les utilisateurs d'Ambiciti. Cet ensemble est filtré et classifié, et la précédente méthode est adaptée afin de produire des cartes de bruit d'analyse à l'échelle de la ville
Noise pollution is a major environmental health problems, and the determination of populations exposure is needed. This can be done through noise mapping. Usually, maps are simulation-based, and subject to high uncertainties. Observational data is distributed in space and time and hence conveys information that is complementary to simulation data. In this thesis, we propose data assimilation methods that allow one to merge prior noise maps issued by numerical simulation with phone-acquired (via the Ambiciti app) noise observations. We run a performance analysis that addresses the range, accuracy, precision and reproducibility of measurements. Conclusions of this evaluation lead us to the proposition of a calibration strategy that has been embedded in Ambiciti. The result of the prior map and observations merging is called an analysis, and is designed to have minimum error variance, based on the respective uncertainties of both data sources that we evaluated: spatial correlations for the prior error; measurement errors, time and location representativeness for the observations. We address the estimation problem on two different scales. The first method relies on the so-called ``best linear unbiased estimator''. It produces hourly noise maps, based on temporally averaged simulation maps and mobile phone audio data recorded at the neighborhood scale. The second method leverages the crowd-sensed Ambiciti user data available throughout the covered city. The observations set must be filtered and pre-processed, in order to only select the ones that were generated in adequate conditions. The prior simulation map is then corrected in a global fashion

La navigation est ainsi définie : l'action ou le moyen d'évaluer et de contrôler l'évolution ou la position d'un système. Dans le cas de robots mobiles, la navigation inclut les sous-problèmes d'estimation de position et de contrôle de mouvement. Les systèmes de navigation des plateformes mobiles de recherche procède sur la base d'une carte. Malheureusement l'estimation de position basé sur un modèle offre des performances décevantes en conditions d'environnement réelles. La présente thèse propose une nouvelle approche de l'estimation de position de robots mobiles, évoluant à l'intérieur de bâtiments. Cette approche est basée sur l'analyse des composantes principales de mesures télémétriques lasers. La simplification, rendue possible par la transformation de données provenant de capteurs en espaces propres de dimensions réduites, permet de relocaliser le robot et de suivre son changement de position au cours de son déplacement, indépendamment des autres sources d'estimations de position (telles que l'odométrie). Cette méthode utilise les mesures adjacentes pour résoudre les ambiguïtés. Il devient ainsi possible d'évaluer et de corriger une technique sous-jacente d'estimation de position telle que l'odométrie

Avec la complexification des tâches confiées aux robots, la perception de l’environnement, aussi appelée perception de scène, doit se faire de manière plus complète. L’emploi simultané de différents types de capteurs, ou multimodalité, est l’un des leviers employés à cet effet. L’exploitation de données issues de modalités différentes nécessite généralement de connaître la pose, c’est-à-dire l’orientation et la position, de chaque capteur relativement aux autres. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur la problématique d’estimation de pose robuste dans le cas d’une multimodalité incluant des capteurs de type caméra et LiDAR. Deux contributions majeures sont présentées dans ce manuscrit. On présente dans un premier temps un algorithme d’estimation de pose original s’appuyant sur la correspondances entre droites 2D et 3D, ainsi qu’une connaissance a priori de la direction verticale. Dans l’optique d’améliorer la robustesse de cet algorithme, une deuxième contribution repose sur un algorithme d’appariement de droites et de rejet de paires aberrantes basé RANSAC. Cette méthode fonctionne à l’aide de deux ou d’une seule paire de droites, diminuant le coût en calcul du problème. Les résultats obtenus sur des jeux de données simulées et réelles démontrent une amélioration des performances en comparaison avec les méthodes de l’état de l’art
Camera pose estimation consists in determining the position and the orientation of a camera with respect to a reference frame. In the context of mobile robotics, multimodality, i.e. the use of various sensor types, is often a requirement to solve complex tasks. However, knowing the orientation and position, i.e. the pose, of each sensor regarding a common frame is generally necessary to benefit multimodality. In this context, we present two major contributions with this PhD thesis. First, we introduce a pose estimation algorithm relying on 2D and 3D line and a known vertical direction. Secondly, we present two outliers rejection and line pairing methods based on the well known RANSAC algorithm. Our methods make use of the vertical direction to reduce the number of lines required to 2 and 1, i.e. RANSAC2 and RANSAC1. A robustness evaluation of our contributions is performed on simulated and real data. We show state of the art results

Tirée par le développement et la démocratisation des globes numériques et des systèmes de géolocalisation grand public, la numérisation 3D mobile terrestre en milieux urbains s'est développée de manière très importante ces dix dernières années. Les principaux verrous résiduels de ces systèmes reste d'une part la localisation précise des données pour certaines applications (conduite autonome urbaine, levers de géomètres, etc.) du fait des masques et multi-trajets GPS dans les canyons urbains et d'autre part le passage à l'échelle du traitement de l'information vu les volumes de données considérables acquis chaque jour (plusieurs To).La première partie de cette thèse est consacrée à la présentation de la numérisation mobile, aussi bien du point de vue système que du point de vue usage. Une description fine du système Stéréopolis V2, véhicule de numérisation mobile multi-caméras développée au laboratoire MATIS de l'Institut National de l'Information Géographique et Forestière, est faite afin de présenter les données utilisées dans cette thèse. Les blocs d'images manipulés dans ces travaux sont constitués de plusieurs centaines de milliers à un million d'image. La seconde partie est consacrée à la calibration du système: calibration intrinsèque de caméra, tout d'abord, en utilisant une géométrie d'acquisition de type panoramique, qui permet de s'affranchir de réseaux de cibles 3D métrologiques. Une calibration extrinsèque des imageurs du véhicule, ensuite, qui permet de déterminer de façon précise la position et l'orientation de caméras sur un dispositif de numérisation mobile. Deux procédures sont détaillées et comparées: l'une dite "off-line" nécessitant une acquisition spécifique avec un réseau de cibles métrologiques et l'autre dite "on-line" utilisant uniquement les données d'acquisition standards. Nous démontrons que la méthode "on-line" produit dans les mêmes conditions une précision comparable à celle "off-line" tout en étant plus adaptée aux variations de conditions d'acquisition in-situ. La troisième partie détaille le processus de compensation par faisceaux appliquée aux données de numérisation mobile multi-caméras qui permet d'estimer la pose d'un grand nombre d'images. La mise en équation ainsi que différents cas d'utilisations de la méthode sont explicités. La structuration et la gestion des données dans un entrepôt est elle aussi développée car elle permet la gestion d'importants volumes et donc le passage à l'échelle tout en restant performante. La quatrième et dernière partie propose différentes méthodes de recalage qui peuvent être utilisées aussi bien de manière individuelle que combinées afin de permettre de mettre en cohérence des séquences d'images distinctes (boucles, passage multi-dates, etc.) dans des contextes applicatifs différents
Mobile mapping technology has grown exponentially the last ten years, particularly due to advances in computer and sensor performances. However, the very accurate positioning of data generated by such technique remains a crucial issue. The first part of this thesis presents the mobile mapping system that has been designed in the MATIS lab of IGN as well as its operational use. A detailed analysis of image data is proposed and data used for this work is discussed. The second part tackles the standard calibration procedure. First, camera calibration is performed by using a panoramic-based acquisition geometry, which allows not to required ground control points. Secondly, a full calibration procedure dedicated to the Stéréopolis V2is proposed so as to determine accurately the position and orientation of all the cameras. For that purpose, two procedures are explained : one requiring an area with points positioned with high accuracy ,and the other one based only the data acquisition. The third section details the compensation applied to the mobile mapping car that allows to improve poses of a large number of images. The mathematical formulation is proposed, and various cases of the method are explained. Data management is also presented since it is a mandatory step for efficient large amount of data management The fourth and final part of the thesis presents different registration scenarii, where methods developed in this work can be used individually as well as combined with other ones so as to bring higher coherence between sequences of distinct images

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur un paradigme de localisation et de modélisation simultanée de l’environnement (SLAM). Dans ce cadre, le système de perception utilisé est un système de vision omnidirectionnelle stéréoscopique basé sur la translation rigide du capteur SYCLOP développé dans notre laboratoire. La première problématique abordée est celle de la construction d’un modèle sensoriel robuste et cohérent de l’environnement à partir de deux images omnidirectionnelles. Une méthode originale d’association des secteurs issus de chaque image panoramique est proposée et utilise la « théorie des croyances » de Dempster-Shafer. Cette approche associative multi-critères permet par triangulation d’obtenir un modèle sensoriel où les amers verticaux sont représentés par des primitives de types points. La deuxième problématique traitée est celle de la mise en correspondance du modèle sensoriel avec un modèle cartographié de l’environnement. Cette étape est prépondérante puisqu’elle permet au robot de se localiser par rapport à une carte pouvant être à priori connue ou construite de manière incrémentale. Les critères de robustesse et de précision nous ont conduits à valider et à utiliser un algorithme basé sur le calcul de la distance cartésienne. La troisième problématique abordée dans ces travaux, et la plus importante, est celle permettant au robot de construire incrémentalement la carte de son environnement. Cette phase est indissociable de celle qui consiste à localiser le robot. On parle alors de paradigme de localisation et de modélisation simultanée de l’environnement. La phase de génération incrémentale de carte nécessite de s’intéresser aux problèmes que sont (1) le choix d’une représentation, (2) la distinction du cas où l’intégration d’une nouvelle primitive est nécessaire ; (3) la prise en compte de l’interaction entre erreur de localisation et erreur sur l’estimation des paramètres des primitives cartographiques. Nous avons proposé une première approche basée sur une estimation des paramètres des primitives cartographiques au sens des moindres carrés. Le critère décisionnel est géré avec la théorie des croyances de Dempster-Shafer. Nous montons les limites de cette première approche qui engendre des phénomènes de dérives cumulative. Une des raisons expliquant cette dérive est l’absence de prise en compte de la troisième contrainte. Son intégration nous a conduit à proposer un deuxième approche du paradigme SLAM basée sur le formalisme de l’inversion ensembliste (analyse par intervalle). Après avoir reformulé le problème de la localisation au sens ensembliste, nous présentons un module de génération incrémentale de carte basé sur une représentation sous forme de sous-pavages. Les résultats obtenus sur des trajets importants montrent la minimisation des dérives ainsi qu’une précision importante.

Tirée par le développement et la démocratisation des globes numériques et des systèmes de géolocalisation grand public, la numérisation 3D mobile terrestre en milieux urbains s'est développée de manière très importante ces dix dernières années. Les principaux verrous résiduels de ces systèmes reste d'une part la localisation précise des données pour certaines applications (conduite autonome urbaine, levers de géomètres, etc.) du fait des masques et multi-trajets GPS dans les canyons urbains et d'autre part le passage à l'échelle du traitement de l'information vu les volumes de données considérables acquis chaque jour (plusieurs To).La première partie de cette thèse est consacrée à la présentation de la numérisation mobile, aussi bien du point de vue système que du point de vue usage. Une description fine du système Stéréopolis V2, véhicule de numérisation mobile multi-caméras développée au laboratoire MATIS de l'Institut National de l'Information Géographique et Forestière, est faite afin de présenter les données utilisées dans cette thèse. Les blocs d'images manipulés dans ces travaux sont constitués de plusieurs centaines de milliers à un million d'image. La seconde partie est consacrée à la calibration du système: calibration intrinsèque de caméra, tout d'abord, en utilisant une géométrie d'acquisition de type panoramique, qui permet de s'affranchir de réseaux de cibles 3D métrologiques. Une calibration extrinsèque des imageurs du véhicule, ensuite, qui permet de déterminer de façon précise la position et l'orientation de caméras sur un dispositif de numérisation mobile. Deux procédures sont détaillées et comparées: l'une dite "off-line" nécessitant une acquisition spécifique avec un réseau de cibles métrologiques et l'autre dite "on-line" utilisant uniquement les données d'acquisition standards. Nous démontrons que la méthode "on-line" produit dans les mêmes conditions une précision comparable à celle "off-line" tout en étant plus adaptée aux variations de conditions d'acquisition in-situ. La troisième partie détaille le processus de compensation par faisceaux appliquée aux données de numérisation mobile multi-caméras qui permet d'estimer la pose d'un grand nombre d'images. La mise en équation ainsi que différents cas d'utilisations de la méthode sont explicités. La structuration et la gestion des données dans un entrepôt est elle aussi développée car elle permet la gestion d'importants volumes et donc le passage à l'échelle tout en restant performante. La quatrième et dernière partie propose différentes méthodes de recalage qui peuvent être utilisées aussi bien de manière individuelle que combinées afin de permettre de mettre en cohérence des séquences d'images distinctes (boucles, passage multi-dates, etc.) dans des contextes applicatifs différents

D'une manière schématique, l'optimisation dynamique de procédés consiste en trois étapes de base : (i) la modélisation, dans laquelle un modèle (phénoménologique) du procédé est construit, (ii) la formulation du problème, dans laquelle le critère de performance, les contraintes et les variables de décision sont définis, (iii) et la résolution, dans laquelle les profils optimaux des variables de décision sont déterminés. Il est important de souligner que ces profils optimaux garantissent l'optimalité pour le modèle mathématique utilisé. Lorsqu'ils sont appliqués au procédé, ces profils ne sont optimaux que lorsque le modèle décrit parfaitement le comportement du procédé, ce qui est très rarement le cas dans la pratique. En effet, les incertitudes sur les paramètres du modèle, les perturbations du procédé, et les erreurs structurelles du modèle font que les profils optimaux des variables de décision basés sur le modèle ne seront probablement pas optimaux pour le procédé. L'application de ces profils au procédé conduit généralement à la violation de certaines contraintes et/ou à des performances sous-optimales. Pour faire face à ces problèmes, l'optimisation dynamique en temps-réel constitue une approche tout à fait intéressante. L'idée générale de cette approche est d'utiliser les mesures expérimentales associées au modèle du procédé pour améliorer les profils des variables de décision de sorte que les conditions d'optimalité soient vérifiées sur le procédé (maximisation des performances et satisfaction des contraintes). En effet, pour un problème d'optimisation sous contraintes, les conditions d'optimalité possèdent deux parties : la faisabilité et la sensibilité. Ces deux parties nécessitent différents types de mesures expérimentales, à savoir les valeurs du critère et des contraintes, et les gradients du critère et des contraintes par rapport aux variables de décision. L'objectif de cette thèse est de développer une stratégie conceptuelle d'utilisation de ces mesures expérimentales en ligne de sorte que le procédé vérifie non seulement les conditions nécessaires, mais également les conditions suffisantes d'optimalité. Ce développement conceptuel va notamment s'appuyer sur les récents progrès en optimisation déterministe (les méthodes stochastiques ne seront pas abordées dans ce travail) de procédés basés principalement sur l'estimation des variables d'état non mesurées à l'aide d'un observateur à horizon glissant. Une méthodologie d'optimisation dynamique en temps réel (D-RTO) a été développée et appliquée à un réacteur batch dans lequel une réaction de polymérisation par greffage a lieu. L'objectif est de déterminer le profil temporel de température du réacteur qui minimise le temps opératoire tout en respectant des contraintes terminales sur le taux de conversion et l'efficacité de greffage
In a schematic way, process optimization consists of three basic steps: (i) modeling, in which a (phenomenological) model of the process is developed, (ii) problem formulation, in which the criterion of Performance, constraints and decision variables are defined, (iii) the resolution of the optimal problem, in which the optimal profiles of the decision variables are determined. It is important to emphasize that these optimal profiles guarantee the optimality for the model used. When applied to the process, these profiles are optimal only when the model perfectly describes the behavior of the process, which is very rarely the case in practice. Indeed, uncertainties about model parameters, process disturbances, and structural model errors mean that the optimal profiles of the model-based decision variables will probably not be optimal for the process. The objective of this thesis is to develop a conceptual strategy for using experimental measurements online so that the process not only satisfies the necessary conditions, but also the optimal conditions. This conceptual development will in particular be based on recent advances in deterministic optimization (the stochastic methods will not be dealt with in this work) of processes based on the estimation of the state variables that are not measured by a moving horizon observer. A dynamic real-time optimization (D-RTO) methodology has been developed and applied to a batch reactor where polymer grafting reactions take place. The objective is to determine the on-line reactor temperature profile that minimizes the batch time while meeting terminal constraints on the overall conversion rate and grafting efficiency

L’estimation de pose et l’interaction 3D sont les fondements de base d’un système de réalité augmentée (RA). L’objectif de cette thèse étant de traiter ces deux problématiques, nous présentons dans ce mémoire un état de l’art qui regroupe : approches, techniques et technologies relatives à l’estimation de pose et à l’interaction 3D en RA. Puis nous faisons le bilan sur les travaux menés jusqu'à aujourd’hui.A cet effet, nos contributions dans ce vaste domaine sont dans les deux parties : vision et interaction 3D. Nous avons proposé un nouveau détecteur et descripteur binaire nommé MOBIL qui effectue une comparaison binaire des moments géométriques. Par la suite nous avons proposé deux améliorations de notre descripteur. MOBIL_2B et POLAR_MOBIL.En outre, nous avons utilisé notre descripteur avec l’approche PTAM (Parallel Tracking and Mapping) afin d’assurer le recalage des objets virtuels en immersion mobile de l’utilisateur en RA.Nous avons également proposé une technique d’interaction pour la RA, appelée « Zoom-in » qui facilite la sélection et la manipulation des objets virtuels distants. Cette technique est basée sur le zoom de l’image et des objets virtuels recalé sur l’image. Les objets virtuels sont mis à la portée de l’utilisateur en gardant le recalage par rapport à la scène.Ce mémoire se termine par une conclusion générale qui fait le point sur l’essentiel de ce travail et ouvre de nouvelles perspectives
Pose estimation and 3D interaction are the essential basis for any Augmented Reality (AR) system. We aim to treat those two fields in order to offer a pertinent AR system that allows a mobile immersion and natural interaction. In this optic, this thesis provides an overall consistent state of the art in both pose estimation and 3D interaction for AR.In addition, this thesis details our contributions that consists of MOBIL: a binary descriptor that compares geometric moments of the patch through a binary test. Two improvements of this descriptor: MOBIL_2B and POLAR_MOBIL are proposed in order to enhance its robustness.We used this descriptor with PTAM technique to ensure the user pose estimation respectively for the selection/manipulation task and the navigation task.On the other hand, we proposed a novel 3D interaction technique called “Zoom-In”, designed for augmented reality applications. This technique is based on the zoom of the captured image. It calculates the 3D transformation relative to the selected object. This technique allows user selecting and manipulating distant virtual objects by bringing them within the user arm’s reach by zooming in the captured image, and re-estimating the user pose thanks to our proposed descriptor. Finally, we present a conclusion that describes the essential of this work and provide perspective and future work

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes consacrés au développement d’un système robotique permettant de reproduire en laboratoire l’ensemble des perturbations subies par un sujet humain dans un transport en commun afin d’analyser et de comprendre le mécanisme de son équilibre postural. La reproduction en laboratoire des perturbations nécessitent la conception d’une plateforme dynamique non contrainte dans son déplacement. L’analyse de l’équilibre humain nécessite également le développement d’un modèle du pendule inversé de l’homme afin de définir des indices quantitatifs d’équilibre et de procéder à des analyses statistiques et comparatives. Grâce aux objectifs fixés par ce travail de recherche, nous avons réalisé une plateforme mobile omnidirectionnelle compacte pouvant supporter un sujet pesant 120kg. Cette plateforme confère au sujet placé dessus une meilleure perception de confort et de sécurité. Ses performances en termes de poursuite de trajectoire et de commande des accélérations ont été effectuées et évaluées. Ces performances sont très satisfaisantes par rapport aux expérimentations menées dans le métro puisque les accélérations réalisées sont supérieures aux valeurs exigées par ce moyen de transport. Ainsi, la plateforme est capable de reproduire une perturbation compatible avec le métro. Nous avons proposé deux méthodes d’analyse basées sur des accéléromètres triaxiaux connectés et synchronisés à la plateforme pour l’évaluation des paramètres de couple et de position articulaires de la cheville, du genou et de la hanche du sujet. Les résultats obtenus sont comparables à ceux obtenus par un système plus couteux de capture de mouvement avec logiciel biomécanique. De nouveaux indices d’équilibre ont été proposés à partir des paramètres biomécaniques de 22 sujets. Ces indices peuvent être exploités par les thérapeutes pour analyser et prévoir la capacité de maintien de l’équilibre d’un passager dans le métro ou plus généralement dans les transports en commun
In this thesis, we achieved the development of a robotic system to reproduce in laboratory all the disturbances undergone by a human subject in public transport in order to make an analysis of postural balance. Reproductive simulated disturbances in laboratory require developing a dynamic platform unconstrained in its movement. Analysis of postural balance also requires the development of an inverted pendulum model to define quantitative indices of stability and to make comparative and statistical analysis. According the objectives of this research work, we realized a compact omnidirectional mobile platform capable of supporting a weight of about 120kg. This platform gives the subject placed on it a better perception of comfort and safety. Its performances in terms of trajectory tracking and acceleration control are carried out and evaluated. These performances are very satisfactory compared to experiments in the subway since the produced accelerations are higher than the values required by this means of transport. Thus, the platform is able to reproduce the perturbation compatible with the subway. We proposed two methods of analysis based on triaxial accelerometers connected and synchronized platform for evaluating torque and joint position of the ankle, knee and hip of the subject. The results obtained are comparable to those obtained by more expensive motion capture system with biomechanical software. New postural balance indices have been proposed from the biomechanical parameters of 22 subjects. These indices can be used by therapists to analyze and predict the ability of maintaining the balance of a passenger in the subway or more generally in public transport

Les Moments ont été largement utilisés dans la reconnaissance de formes et dans le traitement d'image. Dans cette thèse, nous concentrons notre attention sur les 3D moments orthogonaux de Gauss-Hermite, les moments invariants 2D et 3D de Gauss-Hermite, l'algorithme rapide de l'attribut de cohérence et les applications de l'interprétation sismique en utilisant la méthode des moments.Nous étudions les méthodes de suivi automatique d'horizon sismique à partir de moments de Gauss-Hermite en cas de 1D et de 3D. Nous introduisons une approche basée sur une étude multi-échelle des moments invariants. Les résultats expérimentaux montrent que la méthode des moments 3D de Gauss-Hermite est plus performante que les autres algorithmes populaires.Nous avons également abordé l'analyse des faciès sismiques basée sur les caractéristiques du vecteur à partir des moments 3D de Gauss -Hermite, et la méthode de Cartes Auto-organisatrices avec techniques de visualisation de données. L'excellent résultat de l'analyse des faciès montre que l'environnement intégré donne une meilleure performance dans l'interprétation de la structure des clusters.Enfin, nous introduisons le traitement parallèle et la visualisation de volume. En profitant des nouvelles performances par les technologies multi-threading et multi-cœurs dans le traitement et l'interprétation de données sismiques, nous calculons efficacement des attributs sismiques et nous suivons l'horizon. Nous discutons également l'algorithme de rendu de volume basé sur le moteur Open-Scene-Graph qui permet de mieux comprendre la structure de données sismiques.

Cette thèse s’intéresse à l’analyse de séquences d’images stéréoscopiques appliquée à la localisation afin d’estimer le déplacement d’un robot mobile autonome dans son environnement (scènes d’intérieur encombré statiques supposées inconnues a priori). Les conditions d’illuminations varient dans une plage allant de l’éclairage naturel en intérieur à l’éclairage artificiel classiquement présent dans un bâtiment. L’étude vise à définir une reconstruction partielle de la scène pertinente pour la localisation relative du robot par rapport à cette scène. L’approche retenue extrait le maximum d’informations sur le déplacement d’un système de stéréovision calibré embarqué à bord d’un drone en exploitant la texture de l’environnement. Elle s’appuie sur de nouvelles approches que nous avons proposées et évaluées en conditions réelles : pour l’appariement d’images stéréo par détermination statistique de la géométrie épipolaire ; pour le suivi de primitives et l’estimation du déplacement par fusion de données visuelles et inertielles ; pour l’estimation du déplacement et la localisation relative par l’évaluation de la précision de reconstruction.

L'ablation des tissus par hyperthermie locale guidée par IRM est une technique prometteuse pour le traitement du cancer et des arythmies cardiaques. L'IRM permet d'extraire en temps réel des informations anatomiques et thermiques des tissus. Cette thèse a pour objectif d'améliorer et d'étendre la méthodologie existante pour des interventions sur des organes mobiles comme le rein, le foie et le coeur. La première partie a été consacrée à l'introduction de l'imagerie rapide (jusqu'à 10-15 Hz) pour le guidage de l'intervention par IRM en temps réel. L'utilisation de cartes graphiques (GPGPU) a permis une accélération des calculs afin de satisfaire la contrainte de temps réel. Une précision, de l'ordre de 1°C dans les organes abdominaux et de 2-3°C dans le coeur, a été obtenue. Basé sur ces avancées, de nouveaux développements méthodologiques ont été proposés dans une seconde partie de cette thèse. L'estimation du mouvement basée sur une approche variationnelle a été améliorée pour gérer la présence de structures non persistantes et de fortes variations d'intensité dans les images. Un critère pour évaluer la qualité du mouvement estimé a été proposé et utilisé pour auto-calibrer notre algorithme d'estimation du mouvement. La méthode de correction des artefacts de thermométrie liés au mouvement, jusqu'ici restreinte aux mouvements périodiques, a été étendue à la gestion de mouvements spontanés. Enfin, un nouveau filtre temporel a été développé pour la réduction du bruit sur les cartographies de température. La procédure interventionnelle apparaît maintenant suffisamment mature pour le traitement des organes abdominaux et pour le transfert vers la clinique. Concernant le traitement des arythmies cardiaques, les méthodes ont été évaluées sur des sujets sains et dans le ventricule gauche. Par conséquent, la faisabilité de l'intervention dans les oreillettes mais aussi en présence d'arythmie devra être abordée
MR-guided thermal ablation is a promising technique for the treatment of cancer and atrial fibrillation. MRI provides both anatomical and temperature information. The objective of this thesis is to extend and improve existing techniques for such interventions in mobile organs such as the kidney, the liver and the heart. A first part of this work focuses on the use of fast MRI (up to 10-15 Hz) for guiding the intervention in real time. This study demonstrated the potential of GPGPU programming as a solution to guarantee the real time condition for both MR-reconstruction and MR-thermometry. A precision in the range of 1°C and 2-3°C was obtained in abdominal organs and in the heart, respectively. Based on these advances, new methodological developments have been carried out in a second part of this thesis. New variational approaches have proposed to address the problem of motion estimation in presence of structures appearing transient and high intensity variations in images. A novel quality criterion to assess the motion estimation is proposed and used to autocalibrate our motion estimation algorithm. The correction of motion related magnetic susceptibility variation was extended to treat the special case of spontaneous motion. Finally, a novel temporal filter is proposed to reduce the noise of MR-thermometry measurements while controlling the bias introduced by the filtering process. As a conclusion, all main obstacles for MR-guided HIFU-ablation of abdominal organs have been addressed in in-vivo and ex-vivo studies, therefore clinical studies will now be realized. However, although promising results have been obtained for MR-guided RF-ablation in the heart, its feasibility in the atrium and in presence of arrhythmia still remains to be investigated

Les travaux présentés dans cette thèse concernent la reconstruction tridimensionnelle de l'environnement d'un robot mobile, à partir d'informations de vision omnidirectionnelle, pour la préparation d'interventions. Nous nous intéressons dans un premier temps à la conception d'une architecture matérielle adaptée aux problématiques de la reconstruction 3D et de la navigation autonome. Le calibrage d'un système de vision est une étape indispensable dès lors que celui-ci est destiné à effectuer des mesures sur son environnement. Cette phase consiste à modéliser le système pour établir la relation mathématique liant les points 3D et leurs projections dans les images. Après une discussion sur le choix du modèle, nous présentons une méthodologie pour estimer les paramètres du modèle retenu. La structure stéréoscopique du capteur que nous avons développé rend possible la reconstruction tridimensionnelle de l'environnement sans déplacement. Nous proposons donc des algorithmes permettant la reconstruction dense de l'environnement, ainsi que des algorithmes de détection de primitives dans les images omnidirectionnelles. Lorsque le capteur est en mouvement, nous exploitons ses déplacements pour enrichir le modèle 3D. Notre principale contribution porte sur le développement d'un algorithme d'ajustement de faisceaux pour les capteurs stéréoscopiques omnidirectionnels qui permet d'obtenir une estimation des déplacements en ne nécessitant que des données visuelles.

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

L'estimation de canal est une tâche cruciale du récepteur dans les systèmes de communication sans fil, en particulier en cas de mobilité où les paramètres du canal varient avec le temps. Dans cette thèse, un nouvel estimateur de boucle de poursuite d'ordre 3 (RW3-CATL), qui a une structure semblable à la boucle à verrouillage de phase (PLL) avec une faible complexité a été tout d'abord proposé pour estimer l'amplitude complexe du canal dans le cas mono-trajet mono-porteuse. Le lien entre un filtre de Kalman en régime asymptotique basé sur un modèle d'approximation de marche aléatoire (RW3-KF) et l'estimateur proposé est établi. Les expressions des paramètres sous-optimaux et d'EQM correspondante sont données sous forme analytiques en fonction des gains de boucle. Ensuite, les performances asymptotiques du RW3-KF ont été analysées en résolvant les équations de Riccati. L'expression analytique de la variance optimale du bruit d'état qui minimise l'EQM asymptotique a été également déduite. Pour les systèmes multi-trajet multi-porteuses, tels que les systèmes OFDM, la boucle RW3-CATL est étendue à la structure vectorielle (RW3-LS-CATL). Cette boucle conserve la même structure qu'en mono-trajet mono-porteuse, mais un signal d'erreur vectoriel adéquat est redéfini à partir d'un estimateur LS des amplitudes complexes des trajets, basé sur les pilotes du symbole OFDM courant et sur la connaissance a priori des retards des trajets. Par ailleurs, pour ce scénario, le filtre de Kalman, RW-KF estime conjointement les amplitudes complexes des trajets. Il présente une forte complexité, et nous n'avons pas de formules analytiques pour le régler. Pour réduire la complexité, nous proposons un filtre de dimension réduite, obtenu par une approximation du filtre original à l'aide des identités de Woodbury. Ce filtre revient à estimer l'amplitude complexe de chaque trajet de manière séparée. Le réglage optimal des paramètres est déduit du cas mono-trajet mono-porteuse. Les performances de ce filtre à complexité réduite, obtenues par simulation, sont quasiment les mêmes que celles du filtre de Kalman original.

Cette thèse a pour objectif l'analyse du système de télévision numérique chinois (DTMB) et l'optimisation de sa fonction d'estimation de canal. Tout d'abord, une analyse approfondie de ce système est effectuée en comparaison du système DVB-T en termes de spécifications, d'efficacité spectrale et de performances. Ensuite, la fonction d'estimation de canal basée sur la séquence pseudo-aléatoire du système est étudiée dans les domaines temporel et fréquentiel, et plusieurs améliorations sont apportées aux méthodes typiques afin de notamment gérer les canaux très dispersifs en temps. Enfin, de nouveaux procédés itératifs aidés par les données et peu complexes sont proposés pour raffiner les estimés de canal. Les fonctions de décodage de canal et d'entrelacement sont exclues de la boucle et des fonctions de filtrage temps/fréquence sont étudiées pour fiabiliser les estimations. Ces nouveaux algorithmes démontrent leur efficacité par rapport aux méthodes courantes de la littérature.

La thèse comporte trois parties - localisation de robots dans en 3D par des mesures de distances entre les robots, estimation de l'incertitude de la position calculée et construction des trajectoires des mouvements des robots afin de réduire au minimum cette incertitude. L'algorithme de planification utilise certains des robots en tant que balises stationnaires guidant les autres robots mobiles, ce qui permet le fonctionnement précis du system à long terme dans les environnements non structurés. Le but principal de la planification n’est pas de construire des trajectoires sans collision, mais de maintenir l'exactitude de positionnement pendant le mouvement. Deux critères importants d'optimalité sont considérés, reliés aux aspects spécifiques du mouvement commun - comment construire la trajectoire caractérisée par précision de mouvement, comment choisir les robots employés comme des balises et comment les placer dans l’espace de travail, afin de former des arrangements géométriques appropriés et ainsi maximiser la précision de localisation. Pour l'estimation de la position, utilisant les mesures de distance, plusieurs méthodologies de calcul sont présentées – une technique en temps réel et simple à calculer et encore deux techniques itératives, plus précises, mais aussi plus complexes à calculer. Les méthodes et leurs caractéristiques statistiques ont été présentées analytiquement, et ensuite comparées numériquement par des simulations graphiques sur ordinateur. L'évaluation d'incertitude est basée sur la méthode Delta, donnant des résultats très satisfaisants, comparés aux estimateurs numériques. La bonne connaissance de l'incertitude de la position est importante pour la fusion des données d'autres sources d’information de position (navigation hybride). En outre, un estimateur d'incertitude (indépendant du nombre de balises utilisées) rapide et différentiable a été proposé. Le maintien de l'incertitude de position bas est le premier critère pour la planification optimale de mouvement. Un deuxième critère a été développé, un estimateur différentiable pour la configuration géométrique des balises, qui ne dépend pas de la position du robot localisé, mais seulement des positions des balises. Les solutions proposées ont été validées expérimentalement par la simulation par ordinateur
This work emphasizes on three utterly related subjects – resolving robot position by distance measurements to other robots, estimating the uncertainty of the computed position and planning the robot’s movement in order to minimize that uncertainty. The planning algorithm uses some of the robots as stationary beacons guiding the robots in motion, thus enabling long-term working in unstructured environments. The main purpose of the planning is not building collision-free paths, but maintaining the positioning accuracy during the motion. Two important optimality criteria are considered, related to specific aspects of the common motion – how to plan trajectories with good movement precision, how to choose which robots to use as beacons and how to position them, in order to form appropriate geometrical arrangements and thus maximize localization precision. To resolve the position, given the distance measurements, we introduce several novel methodologies – one real-time, low-computation technique and another two optimal, computation costly model. The methods and theirs statistical characteristics have been presented analytically, and compared numerically by graphical simulations. The uncertainty estimation is based on the Delta method for uncertainty propagation, which in our case produce very satisfying results, compared to numeric estimators. Good knowledge of the position’s uncertainty is important when combining it with information of other sources, when performing hybrid navigation. Furthermore, a fast and differentiable uncertainty estimator has been found, not depending on the number of beacons used. Maintaining minimal values for the position uncertainty is the first criterion for the optimal motion planning. As a second criterion, we developed a differentiable beacon configuration quality estimator that does not depend on the localized robot but only on the positions of the beacons used. The proposed solutions for the three tasks have been validated experimentally by computer simulation. A simulation platform has been implemented for this purpose. It has been programmed on C++, using the OpenGL graphic library

Les besoins sans cesse croissants de transmission de l'information nécessitent une utilisation efficace des ressources fréquentielles. Les transmissions radioélectriques s'effectuent au travers de canaux de propagation qui, lorsque les débits sont importants, dégradent de façon sévère les signaux émis. Ce phénomène, couple avec une volonté de partager au mieux le spectre, a amené le cdma à être choisi comme la technique d'accès multiple des futurs systèmes de téléphonie mobile. Afin de garantir de bonnes performances aux systèmes cdma dans le contexte radio-mobile, il est indispensable d'utiliser des techniques de démodulations avancées ainsi que d'avoir une bonne connaissance des canaux de propagation. Afin de garantir la meilleure qualité de transmission possible, nous développons le récepteur qui estime les séquences de symboles émises les plus probables. Malheureusement, ce récepteur est d'une complexité algorithmique trop importante et, en pratique, il est nécessaire de développer des structures sous optimales. Ces récepteurs sous optimaux sont développes en introduisant de nouveaux critères permettant d'obtenir une complexité de traitement inférieure a celle du récepteur optimal. Les performances de ces divers récepteurs sont ensuite comparées en termes de taux d'erreur binaire. La mise en ouvre de récepteurs coopératifs nécessite la connaissance du canal de propagation. Nous développons différentes techniques d'estimation des canaux exploitant au mieux la connaissance des systèmes. Ces estimateurs de canaux sont développes au sens du maximum de vraisemblance en les adaptant a la connaissance des signaux transmis et ce dans un cadre MIMO (multiple input multiple output). Nous développons dans les différents cas les études de performances, les bornes de Cramer-Rao et nous montrons que les estimateurs proposes sont efficaces a fort rapport signal sur bruit (rsb).

L’impact sanitaire lié à la pollution de l’air nécessite une estimation précise de celle-ci. Les réseaux de stations de mesures des agences de surveillance de la qualité de l’air (AIRPARIF en Île-de-France) ne sont pas suffisamment denses pour renseigner sur l’hétérogénéité de la pollution en ville. Et, les modèles haute résolution simulant les champs de concentration de polluants en 3D ont une large couverture spatiale mais sont limités par leurs incertitudes. Ces deux sources d’information exploitées indépendamment ne permettent pas d’évaluer finement l’exposition d’un individu. Nous proposons deux approches pour résoudre ce problème : (1) par la mesure directe des polluants avec des capteurs mobiles à bas coût et des instruments de référence. Des niveaux de pollution très variables ont été constatés entre les microenvironnements et dans une même pièce. Ces capteurs devraient être déployés en grand nombre pour palier à leurs contraintes techniques. Les instruments de référence, très coûteux et volumineux, ne peuvent être utilisés que ponctuellement. (2) en combinant les concentrations simulées par le modèle Parallel Micro-SWIFT-SPRAY (PMSS) à Paris avec une résolution horizontale de 3 mètres et les mesures des stations de surface AIRPARIF. Nous avons déterminé des « zones de représentativité » - zones géographiques où les concentrations sont très proches de celle de la station - uniquement à partir des sorties du modèle PMSS. Ensuite, nous avons développé un modèle bayésien pour propager la mesure des stations dans ces zones
The harmful effects of air pollution need a high-resolution concentration estimate. Ambient pollutant concentrations are routinely measured by surface monitoring sites of local agencies (AIRPARIF in Paris area, France). Such networks are not dense enough to represent the strong horizontal gradients of pollutant concentrations over urban areas. And, high-resolution models that simulate 3D pollutant concentration fields have a large spatial coverage but suffer from uncertainties. Those both information sources exploited independently are not able to accurately assess an individual’s exposure. We suggest two approaches to solve this problem : (1) direct pollution measurement by using low cost mobile sensors and reference instruments. A high variability across pollution levels is shown between microenvironments and also in the same room. Mobile sensors should be deployed on a large scale due to their technical constraints. Reference instruments are very expensive, cumbersome, and can only be used occasionally. (2) by combining concentration fields of the Parallel Micro-SWIFT-SPRAY (PMSS) model over Paris at a horizontal resolution of 3 meters with AIRPARIF local ground stations measurements. We determined “representativeness areas” - perimeter where concentrations are very close to the one of the station location – only from PMSS simulations. Next, we developed a Bayesian model to extend the stations measurements within these areas

Cette thèse propose une méthode originale d'estimation ensembliste d'états de procédés nonlinéaires discrets, qui est globalement convergente. La méthode est basée sur une technique d'estimation à horizon glissant par intervalles (IMHSE), couplé à une technique d'optimisation globale de fonctions non-linéaires qui utilise l'arithmétique par intervalles. En d'autres termes, la méthode IMHSE résout le problème d'estimation d'état d'un système dynamique par un problème statique d'optimisation globale non-linéaire par intervalles, sur un horizon de temps prédéfini. Les mesures faites hors ligne dans un procédé peuvent être utilisées facilement dans cet observateur ensembliste pour reconstruire les variables de l'état qui sont représentés par intervalles. Ce travail considère aussi la détection de dysfonctionnement d'un modèle en utilisant un observateur IMHSE multi-modèles (une propriété de plus donnée à notre observateur). L'objectif de cette approche multi-modèles est de détecter les variations dynamiques des paramètres du modèle dans le temps. Ces variations sont prises en considération en utilisant plusieurs modèles différents. Ces modèles seront commutés par notre observateur ensembliste pour reconstruire les états du système. Mis d'une façon simple, cette approche consiste à utiliser un modèle nominal pour l'état et d'autres modèles pour décrire les situations possibles de fonctionnement anormal (paramètres perturbés). L'algorithme nous permet de connaître en ligne quel est le meilleur modèle qui décrit le comportement réel du système. La technique proposée a été appliquée sur des modèles de procédés complexes biotechnologiques tel que la fermentation sur substrat solide, et à des bioprocédés décrit par des modèles hybrides. Les résultats obtenus par simulation montrent que ce type d'observateur a des avantages sur les autres observateurs et filtres, et qu'il peut être facilement appliqué dans un contexte industriel.