Search

National audience; In this thesis, we are interested in the control of walking robots. Controlling these naturally unstable, non-linear, non-convex, large and contact-dependent systems is a major challenge in mobile robotics. Traditional approaches formulate a chain of control formed by a cascade of sub-problems such as perception, planning, full body control and joint servoing. The contributions reported here are all intended to provide state feedback at the whole body control stage or at the planning stage. Specifically, a first technical contribution is the formulation and experimental comparison of two estimators of the robot base. A second contribution is the implementation of a reverse dynamic controller to control the HRP-2 robot in torque. A variant of this controller is also formulated and tested in simulation to stabilize a robot in flexible contact with its environment. Finally, a predictive control operation generator coupled to a whole body controller is presented.; Dans cette thèse, on s’intéresse à la commande des robots marcheurs. Contrôler ces systèmes naturellement instables, de dynamique non linéaire, non convexe, de grande dimension, et dépendante des contacts représente un défi majeur en robotique mobile. Les approches classiques formulent une chaîne de contrôle formée d’une cascade de sous problèmes tels que la perception, le planning, la commande du corps complet et l’asservissement articulaire. Les contributions rapportées ici ont toutes pour but d’introduire une rétroaction au niveau de la commande du corps complet ou du planning. Précisément, une première contribution technique est la formulation et la comparaison expérimentale de deux estimateurs de la base du robot. Une seconde contribution est l’implémentation d’un contrôleur par dynamique inverse pour contrôler en couple le robot HRP-2. Une variante de ce contrôleur est aussi formulée et testée en simulation pour stabiliser un robot en contact flexible avec son environnement. Finalement un générateur de marche par commande pré-dictive et couplé à un contrôleur corps complet est présenté.

In this thesis, we are interested in the control of walking robots. Controlling these naturally unstable, non-linear, non-convex, large and contact-dependent systems is a major challenge in mobile robotics. Traditional approaches formulate a chain of control formed by a cascade of sub-problems such as perception, planning, full body control and joint servoing. The contributions reported here are all intended to provide state feedback at the whole body control stage or at the planning stage. Specifically, a first technical contribution is the formulation and experimental comparison of two estimators of the robot base. A second contribution is the implementation of a reverse dynamic controller to control the HRP-2 robot in torque. A variant of this controller is also formulated and tested in simulation to stabilize a robot in flexible contact with its environment. Finally, a predictive control operation generator coupled to a whole body controller is presented.; Dans cette thèse, on s’intéresse à la commande des robots marcheurs. Contrôler ces systèmes naturellement instables, de dynamique non linéaire, non convexe, de grande dimension, et dépendante des contacts représente un défi majeur en robotique mobile. Les approches classiques formulent une chaîne de contrôle formée d’une cascade de sous problèmes tels que la perception, le planning, la commande du corps complet et l’asservissement articulaire. Les contributions rapportées ici ont toutes pour but d’introduire une rétroaction au niveau de la commande du corps complet ou du planning. Précisément, une première contribution technique est la formulation et la comparaison expérimentale de deux estimateurs de la base du robot. Une seconde contribution est l’implémentation d’un contrôleur par dynamique inverse pour contrôler en couple le robot HRP-2. Une variante de ce contrôleur est aussi formulée et testée en simulation pour stabiliser un robot en contact flexible avec son environnement. Finalement un générateur de marche par commande pré-dictive et couplé à un contrôleur corps complet est présenté.

The work developped in this PhD thesis concerns the control of redundant torque-controlled robots,dealing with two main issues. Firstly, we study the presence of a RCM constraint imposed to the end-effector. We propose two control approaches to guarantee this kinematic constraint. In the first one, the constraint is performed in the null-space of a main task defined in cartesian coordinates(position). An explicit definition of the null-space dynamics is applied on this control approach, and provides a secondary priority order to the RCM constraint. The second approach allows to define the constraint as the main task, obtaining the highest priority level, or in any desired priority level,according to the needs of the application. Therefore, we propose a new kinematic formulation of the RCM constraint.Secondly, we study the physical interaction between the robot’s body and its environment (e.g. human) during the cartesian global task execution. A null-space compliance control strategy is then proposed in order to preserve the global task when the contacts occur. This strategy, defined for anthropomorphic 7-DOF robots, is formulated in swivel angle coordinates, which is a direct representation of the robot’s null-space. A desired feasible range for the swivel angle values is defined by the user, and a spring-damping compliance law is used to constraint the robot to remain within the feasible angle values range, despite the external forces applied to the robot’s body. Robot-assisted minimally invasive surgery has been used throughout this thesis as an example of application, allowing to demonstrate the usefulness of our contributions.; Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la commande en couple de manipulateurs redondants.Nous nous intéressons dans ce cadre à deux problématiques. En premier lieu, nous considérons le cas d’imposition d’une contrainte cinématique de point de passage, dite contrainte du RCM, de l’organe terminal (OT) du robot. Nous proposons alors deux approches pour la gestion de cette contrainte. Dans la première approche, la contrainte est garantie dans l’espace nul d’une tâche principale définie en coordonnées de position de l’OT. Cette méthode exploite une définition explicite de la dynamique de l’espace nul et confère un niveau de priorité secondaire à la contrainte. La seconde approche permet de définir la contrainte du RCM comme tâche principale, en lui assignant le niveau de priorité supérieur ou un niveau de priorité défini par le besoin de l’application. Nous proposons pour cela une nouvelle définition de la cinématique du RCM.En second lieu, nous traitons la question des contacts entre le corps du robot et son environnement (ex. l’humain)pendant que l’OT exécute sa tâche « globale ». Nous proposons pour cela une stratégie de compliance appliquée dans l’espace nul du robot afin de préserver la tâche globale lors des contacts. Cette stratégie estdéfinie pour des bras anthropomorphes à 7-DDL, et est formulée en coordonnées de l’angle de bras, paramètre représentant le degré de redondance du robot. Cela permet de définir un intervalle admissible de mouvement de l’angle de bras. Lorsque les limites de cet intervalle sont atteintes, une loi de compliance de type ressort amortisseur oblige le robot à rester dans l’intervalle, malgré les forces externes exercées.Nous évoquons, tout au long de cette thèse, l’application de chirurgie mini-invasive assistée par robot pour illustrer l’utilité de nos contributions.

The intended goal of this thesis is to bring new insights for developing robotic systems capable of safely sharing their workspace with human-operators. Within this context, the presented work focuses on the control problem. The following questions are tackled:-for reactive control laws, i.e., control problems where the task to be performed is not known in advance but discovered on-line, how is it possible to guarantee for every time-step the existence of a solution to the control problem? This solution should allow the robot to accomplish at best its prescribed task and at the same time to strictly comply with existing constraints, among which, constraints related to the physical limitations of its actuators and joints.-How to integrate the human-operator in the control loop of the robot so that physical contact can safely be engaged and de-engaged?Regarding the first point, our work arises as the continuity of previous results developed by Sébastien Rubrecht during his PhD thesis. Sébastien Rubrecht introduced the concept of constraints incompatibility for robots reactively controlled at the kinematic-level. The problem of constraints incompatibility appears for example when the formulation of the constraint on an articular position of a robot does not account for the amount of deceleration producible by its actuator. In such case, if the articular position constraint is activated tardively, the system may not have sufficient time to cope with the imposed joint position limit considering its bounded dynamic capabilities. In our work, the problem of constraints incompatibility is tackled for robots controlled at the dynamic-level (torque control). New mathematical formulations for the articular position and joint velocity constraints that account for both the deceleration and jerk capabilities of the actuators of the robot are introduced. The optimal time needed for the system to cope with the different limits of these constraints is computed. When included in a QP formulation of the control problem, the introduced new expressions trigger the activation of the constraints at the right time considering the dynamic capabilities of the robot. The existence of a constraint compliant and optimal solution as joint position, velocity, torque/deceleration and also jerk limits are all respected at the same time and at every time-step is guaranteed. Consequently the viability of the state of the robot is also ensured.Regarding the second point, for a given shape of the robot, two main parameters are usually considered for safety: the impact force generated at collision and the contact force generated after the establishment of physical contact. The most generic way to consider and express these parameters is to use an energetic formulation of the safety problem. Indeed, energy is a universal quantity that can describe all the safety related physical phenomena occurring during human-robot interaction. An impact force for example is directly proportional to the amount of kinetic energy dissipated at collision. The contact force on the other hand derives from the amount of potential energy that accumulates in the controller of the robot during physical contact. In our work, safety during human-robot interaction is handled by modulating the amount of energy instantaneously displayed by the robot. The main contributions are as follows:-the formulation of kinetic and potential energy based safety indicators that represent the degree of danger of the robot at collision and during physical contact.-The formulation of energy based safety criteria that bound the dynamics of the robot during different interaction phases: at the approach of the human-operator, at collision, during physical contact and finally when contact is released.-The expression of the introduced indicators and criteria as inequality constraints related to the torque control input of a robotic manipulator.-The introduction of the concept of ``task energy profile'' to track the amount of energy used to accomplish a considered repetitive task in the most optimal way. This profile is then used to formulate a constraint on the instantaneous amount of energy the robot is allowed to exhibit at every time-step. When implemented in the control scheme, the ``task energy profile'' related constraint makes the robot comply to any deliberate or non-deliberate contact with its environment. For the validation of the proposed algorithms, beyond the theoretical contributions, simulation and experimental applications are performed on a KUKA LWR4 robotic manipulator.; L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles approches pour le développement de systèmes robotiques capables de partager en toute sécurité leur espace de travail avec des opérateurs humains. Dans ce contexte, le travail présenté est axé principalement sur la problématique de commande. Les questions suivantes sont abordées:- pour des lois de contrôle réactives, c'est-à-dire des problèmes de commande où la tâche à exécuter n'est pas connue à l'avance mais découverte en temps réel, comment est-il possible de garantir à chaque pâs de temps l'existence d'une solution au problème de contrôle? Cette solution devrait permettre au robot d'accomplir au mieux sa tâche préscrite et en même temps de strictement respecter les contraintes existantes, parmi lesquelles, les contraintes liées aux limitations physiques des actionneurs de ses articulations.- Comment intégrer l'opérateur humain dans la boucle de contrôle du robot de manière à ce que le contact physique puisse être engagé et désengagé en toute sécurité?Concernant le premier point, notre travail se présente comme la continuité de résultats antérieurs développés par Sébastien Rubrecht lors de sa thèse de doctorat. Sébastien Rubrecht a introduit le concept d'incompatibilité des contraintes pour des robots contrôlés de manière réactive au niveau cinématique. Le problème de l'incompatibilité des contraintes apparaît par exemple lorsque la formulation de la contrainte sur une position articulaire d'un robot ne tient pas compte de la quantité de décélération produite par son actionneur. Dans ce cas, si la contrainte de position articulaire est activée tardivement, le système peut se retrouver dans une situation où il n'a pas suffisamment de temps pour faire face à la limite de position articulaire imposée considérant ses capacités dynamiques limités.Dans notre travail, le problème d'incompatibilité des contraintes est abordé pour des robots contrôlés au niveau dynamique (contrôle en couple). De nouvelles formulations mathématiques des contraintes liées aux positions et vitesses articulaires du robot qui tiennent compte des capacités de décélération et de jerk de ses actionneurs sont présentées. Le temps optimal nécessaire pour que le système puisse faire face aux différentes limites liées à ces contraintes est calculé. Lorsqu'inclues dans une formulation QP du problème de commande, les nouvelles formulations permettent l'activation des contraintes au bon moment considérant les capacités dynamiques du robot. L'existence d'une solution optimale conforme à toutes les contraintes et avec laquelle les limites en position, vitesse, couple/décélération et jerk sont toutes respectés en même temps et à chaque pâs de temps est garantie. Par conséquent, la viabilité de l'état du robot est également assurée.Concernant le deuxième point, pour une forme donnée du robot, deux paramètres sont généralement considérés pour la sûreté: la force d'impact générée lors de la collision et la force de contact générée après l'établissement d'un contact physique entre le robot et son environement. La façon la plus générale de considérer et d'éxprimer ces paramètres est d'utiliser une formulation énergétique du problème de sécurité. En effet, l'énergie est une quantité universelle qui peut décrire tous les phénomènes physiques liés à la sûreté se produisant lors d'interactions homme-robot. Une force d'impact par exemple est directement proportionnelle à la quantité d'énergie cinétique dissipée lors d'une collision. La force de contact, d'un autre coté, découle de la quantité d'énergie potentielle qui s'accumule dans le contrôleur du robot durant un contact physique. Dans notre travail, la sûreté lors d'interactions homme-robot est assurée graâce à la modulation de la quantité d'énergie générée instantanément parle robot. Les principales contributions sont:- la formulation d'indicateurs de sûreté basés sur l'énergie cinétique et potentielle qui représentent le degré de danger du robot lors de collisions et de contacts physiques.- La formulation de critères de sûreté basés sur l'énergie qui saturent la dynamique du robot au cours de différentes phases d'interactions: à l'approche de l'opérateur, lors d'une collision, lors d'un contact physique et finalement lorsque le contact est désengagé.- L'expression de ses indicateurs et critères de sûreté comme contraintes d'inégalité liées au couple de commande du robot.- L'introduction du concept de «profil énergétique de tâche» pour évaluer la quantité d'énergie utilisée pour accomplir une tâche répétitive de la manière la plus optimale. Ce profil est ensuite utilisé pour formuler une contrainte sur la quantité d'énergie que le robot peut instantanément produire à chaque pâs de temps. Lorsqu'implémentée dans le configuration du contrôleur, la contrainte sur le «profil énergétique de tâche» rend le robot compliant à tout contact délibéré ou non-délibéré avec son environnement.Pour la validation des algorithmes proposés, au-delà des contributions théoriques, des applications de simulation et expérimentales sont réalisées sur un manipulateur robotique de type KUKA LWR4.

The intended goal of this thesis is to bring new insights for developing robotic systems capable of safely sharing their workspace with human-operators. Within this context, the presented work focuses on the control problem. The following questions are tackled:-for reactive control laws, i.e., control problems where the task to be performed is not known in advance but discovered on-line, how is it possible to guarantee for every time-step the existence of a solution to the control problem? This solution should allow the robot to accomplish at best its prescribed task and at the same time to strictly comply with existing constraints, among which, constraints related to the physical limitations of its actuators and joints.-How to integrate the human-operator in the control loop of the robot so that physical contact can safely be engaged and de-engaged?Regarding the first point, our work arises as the continuity of previous results developed by Sébastien Rubrecht during his PhD thesis. Sébastien Rubrecht introduced the concept of constraints incompatibility for robots reactively controlled at the kinematic-level. The problem of constraints incompatibility appears for example when the formulation of the constraint on an articular position of a robot does not account for the amount of deceleration producible by its actuator. In such case, if the articular position constraint is activated tardively, the system may not have sufficient time to cope with the imposed joint position limit considering its bounded dynamic capabilities. In our work, the problem of constraints incompatibility is tackled for robots controlled at the dynamic-level (torque control). New mathematical formulations for the articular position and joint velocity constraints that account for both the deceleration and jerk capabilities of the actuators of the robot are introduced. The optimal time needed for the system to cope with the different limits of these constraints is computed. When included in a QP formulation of the control problem, the introduced new expressions trigger the activation of the constraints at the right time considering the dynamic capabilities of the robot. The existence of a constraint compliant and optimal solution as joint position, velocity, torque/deceleration and also jerk limits are all respected at the same time and at every time-step is guaranteed. Consequently the viability of the state of the robot is also ensured.Regarding the second point, for a given shape of the robot, two main parameters are usually considered for safety: the impact force generated at collision and the contact force generated after the establishment of physical contact. The most generic way to consider and express these parameters is to use an energetic formulation of the safety problem. Indeed, energy is a universal quantity that can describe all the safety related physical phenomena occurring during human-robot interaction. An impact force for example is directly proportional to the amount of kinetic energy dissipated at collision. The contact force on the other hand derives from the amount of potential energy that accumulates in the controller of the robot during physical contact. In our work, safety during human-robot interaction is handled by modulating the amount of energy instantaneously displayed by the robot. The main contributions are as follows:-the formulation of kinetic and potential energy based safety indicators that represent the degree of danger of the robot at collision and during physical contact.-The formulation of energy based safety criteria that bound the dynamics of the robot during different interaction phases: at the approach of the human-operator, at collision, during physical contact and finally when contact is released.-The expression of the introduced indicators and criteria as inequality constraints related to the torque control input of a robotic manipulator.-The introduction of the concept of ``task energy profile'' to track the amount of energy used to accomplish a considered repetitive task in the most optimal way. This profile is then used to formulate a constraint on the instantaneous amount of energy the robot is allowed to exhibit at every time-step. When implemented in the control scheme, the ``task energy profile'' related constraint makes the robot comply to any deliberate or non-deliberate contact with its environment. For the validation of the proposed algorithms, beyond the theoretical contributions, simulation and experimental applications are performed on a KUKA LWR4 robotic manipulator.; L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles approches pour le développement de systèmes robotiques capables de partager en toute sécurité leur espace de travail avec des opérateurs humains. Dans ce contexte, le travail présenté est axé principalement sur la problématique de commande. Les questions suivantes sont abordées:- pour des lois de contrôle réactives, c'est-à-dire des problèmes de commande où la tâche à exécuter n'est pas connue à l'avance mais découverte en temps réel, comment est-il possible de garantir à chaque pâs de temps l'existence d'une solution au problème de contrôle? Cette solution devrait permettre au robot d'accomplir au mieux sa tâche préscrite et en même temps de strictement respecter les contraintes existantes, parmi lesquelles, les contraintes liées aux limitations physiques des actionneurs de ses articulations.- Comment intégrer l'opérateur humain dans la boucle de contrôle du robot de manière à ce que le contact physique puisse être engagé et désengagé en toute sécurité?Concernant le premier point, notre travail se présente comme la continuité de résultats antérieurs développés par Sébastien Rubrecht lors de sa thèse de doctorat. Sébastien Rubrecht a introduit le concept d'incompatibilité des contraintes pour des robots contrôlés de manière réactive au niveau cinématique. Le problème de l'incompatibilité des contraintes apparaît par exemple lorsque la formulation de la contrainte sur une position articulaire d'un robot ne tient pas compte de la quantité de décélération produite par son actionneur. Dans ce cas, si la contrainte de position articulaire est activée tardivement, le système peut se retrouver dans une situation où il n'a pas suffisamment de temps pour faire face à la limite de position articulaire imposée considérant ses capacités dynamiques limités.Dans notre travail, le problème d'incompatibilité des contraintes est abordé pour des robots contrôlés au niveau dynamique (contrôle en couple). De nouvelles formulations mathématiques des contraintes liées aux positions et vitesses articulaires du robot qui tiennent compte des capacités de décélération et de jerk de ses actionneurs sont présentées. Le temps optimal nécessaire pour que le système puisse faire face aux différentes limites liées à ces contraintes est calculé. Lorsqu'inclues dans une formulation QP du problème de commande, les nouvelles formulations permettent l'activation des contraintes au bon moment considérant les capacités dynamiques du robot. L'existence d'une solution optimale conforme à toutes les contraintes et avec laquelle les limites en position, vitesse, couple/décélération et jerk sont toutes respectés en même temps et à chaque pâs de temps est garantie. Par conséquent, la viabilité de l'état du robot est également assurée.Concernant le deuxième point, pour une forme donnée du robot, deux paramètres sont généralement considérés pour la sûreté: la force d'impact générée lors de la collision et la force de contact générée après l'établissement d'un contact physique entre le robot et son environement. La façon la plus générale de considérer et d'éxprimer ces paramètres est d'utiliser une formulation énergétique du problème de sécurité. En effet, l'énergie est une quantité universelle qui peut décrire tous les phénomènes physiques liés à la sûreté se produisant lors d'interactions homme-robot. Une force d'impact par exemple est directement proportionnelle à la quantité d'énergie cinétique dissipée lors d'une collision. La force de contact, d'un autre coté, découle de la quantité d'énergie potentielle qui s'accumule dans le contrôleur du robot durant un contact physique. Dans notre travail, la sûreté lors d'interactions homme-robot est assurée graâce à la modulation de la quantité d'énergie générée instantanément parle robot. Les principales contributions sont:- la formulation d'indicateurs de sûreté basés sur l'énergie cinétique et potentielle qui représentent le degré de danger du robot lors de collisions et de contacts physiques.- La formulation de critères de sûreté basés sur l'énergie qui saturent la dynamique du robot au cours de différentes phases d'interactions: à l'approche de l'opérateur, lors d'une collision, lors d'un contact physique et finalement lorsque le contact est désengagé.- L'expression de ses indicateurs et critères de sûreté comme contraintes d'inégalité liées au couple de commande du robot.- L'introduction du concept de «profil énergétique de tâche» pour évaluer la quantité d'énergie utilisée pour accomplir une tâche répétitive de la manière la plus optimale. Ce profil est ensuite utilisé pour formuler une contrainte sur la quantité d'énergie que le robot peut instantanément produire à chaque pâs de temps. Lorsqu'implémentée dans le configuration du contrôleur, la contrainte sur le «profil énergétique de tâche» rend le robot compliant à tout contact délibéré ou non-délibéré avec son environnement.Pour la validation des algorithmes proposés, au-delà des contributions théoriques, des applications de simulation et expérimentales sont réalisées sur un manipulateur robotique de type KUKA LWR4.

Large and sudden changes in the torques of the actuators of a robot are highly undesirable and should be avoided during robot control as they may result in unpredictable behaviours. Multi-objective control system for complex robots usually have to handle multiple prioritized tasks while satisfying constraints. Changes in tasks and/or constraints are inevitable for robots when adapting to the unstructured and dynamic environment, and they may lead to large sudden changes in torques. Within this work, the problem of task priority transitions and changing constraints is primarily considered to reduce large sudden changes in torques. This is achieved through two main contributions as follows. Firstly, based on quadratic programming (QP), a new controller called Generalized Hierarchical Control (GHC) is developed to deal with task priority transitions among arbitrary prioritized task. This projector can be used to achieve continuous task priority transitions, as well as insert or remove tasks among a set of tasks to be performed in an elegant way. The control input (e.g. joint torques) is computed by solving one quadratic programming problem, where generalized projectors are adopted to maintain a task hierarchy while satisfying equality and inequality constraints. Secondly, a predictive control primitive based on Model Predictive Control (MPC) is developed to handle presence of discontinuities in the constraints that the robot must satisfy, such as the breaking of contacts with the environment or the avoidance of an obstacle. The controller takes the advantages of predictive formulations to anticipate the evolutions of the constraints by means of control scenarios and/or sensor information, and thus generate new continuous constraints to replace the original discontinuous constraints in the QP reactive controller. As a result, the rate of change in joint torques is minimized compared with the original discontinuous constraints. This predictive control primitive does not directly modify the desired task objectives, but the constraints to ensure that the worst case of changes of torques is well-managed. The effectiveness of the proposed control framework is validated by a set of experiments in simulation on the Kuka LWR robot and the iCub humanoid robot. The results show that the proposed approach significantly decrease the rate of change in joint torques when task priorities switch or discontinuous constraints occur.; Lors du contrôle de robots, les variations fortes et soudaines dans les couples de commande doivent impérativement être évitées. En effet ces discontinuités peuvent entraîner, en plus des comportements imprévisibles du système, des dommages physiques, notamment au niveau des actionneurs. Pour la réalisation de tâches complexes, un robot à plusieurs degrés de liberté utilise généralement un système de commande multi-objectif avec lequel plusieurs tâches doivent être réalisées et plusieurs contraintes respectées. Le basculement entre ces différentes tâches ainsi que les contraintes causées par un environnemt dynamique et imprévisible sont les causes directes des variations fortes dans les couples de commande. Dans ce travail, les problèmes de transitions de priorités entre les différentes tâches ainsi que la variation des contraintes sont considérées avec pour objectif la des variations fortes dans les couples de commande. Deux contributions principales ont été réalisées.Premièrement, un nouveau contrôleur appelé "contrôle hiérarchique généralisé (GHC)" est implémenté sous forme d’optimisation quadratique pour gérer la priorité des transitions entre les tâches de poids différents. Le projecteur utilisé assure en plus de la continuité des transitions, la gestion de l’ajout et/ou de la suppression de tâches. Les couples de commande sont alors calculés en résolvant un problème d’optimisation prenant en compte en même temps la hiérarchie des tâches et les contraintes égalitaire et inégalitaires.Deuxièmement, nous avons développé une primitive de contrôle à base de Contrôle par Modèle Prédictif (CMP) afin de gérer l’existence des discontinuités des contraintes que doit respecter le robot, tel que le changement d’état des contacts ou l’évitement d'obstacles. Le contrôleur profite ainsi de la formulation prédictive en anticipant l'évolution des contraintes vis-à-vis des scénarios de commande et/ou de l'information des capteurs. Il permet de générer des nouvelles contraintes continues qui remplacent les anciennes contraintes discrètes dans le contrôleur réactif QP. Par conséquent, le taux de changement des couples articulaires est minimisé, comparé aux anciennes contraintes discrètes. Cette primitive de contrôle prédictive ne modifie pas directement les objectifs désirés des tâches mais les contraintes, ce qui permet de s’assurer que les changements de couple sont bien gérés dans les pires scénarios.L'efficacité de la stratégie de contrôle proposée est validée via des expériences en simulation avec le robot Kuka LWR 4+ et le robot humanoïde iCub. Les résultats montrent que l'approche développée peut réduire de manière significative la variation des couples articulaires pendant les changements de priorité des tâches ou sous contraintes discrètes.

Large and sudden changes in the torques of the actuators of a robot are highly undesirable and should be avoided during robot control as they may result in unpredictable behaviours. Multi-objective control system for complex robots usually have to handle multiple prioritized tasks while satisfying constraints. Changes in tasks and/or constraints are inevitable for robots when adapting to the unstructured and dynamic environment, and they may lead to large sudden changes in torques. Within this work, the problem of task priority transitions and changing constraints is primarily considered to reduce large sudden changes in torques. This is achieved through two main contributions as follows. Firstly, based on quadratic programming (QP), a new controller called Generalized Hierarchical Control (GHC) is developed to deal with task priority transitions among arbitrary prioritized task. This projector can be used to achieve continuous task priority transitions, as well as insert or remove tasks among a set of tasks to be performed in an elegant way. The control input (e.g. joint torques) is computed by solving one quadratic programming problem, where generalized projectors are adopted to maintain a task hierarchy while satisfying equality and inequality constraints. Secondly, a predictive control primitive based on Model Predictive Control (MPC) is developed to handle presence of discontinuities in the constraints that the robot must satisfy, such as the breaking of contacts with the environment or the avoidance of an obstacle. The controller takes the advantages of predictive formulations to anticipate the evolutions of the constraints by means of control scenarios and/or sensor information, and thus generate new continuous constraints to replace the original discontinuous constraints in the QP reactive controller. As a result, the rate of change in joint torques is minimized compared with the original discontinuous constraints. This predictive control primitive does not directly modify the desired task objectives, but the constraints to ensure that the worst case of changes of torques is well-managed. The effectiveness of the proposed control framework is validated by a set of experiments in simulation on the Kuka LWR robot and the iCub humanoid robot. The results show that the proposed approach significantly decrease the rate of change in joint torques when task priorities switch or discontinuous constraints occur.; Lors du contrôle de robots, les variations fortes et soudaines dans les couples de commande doivent impérativement être évitées. En effet ces discontinuités peuvent entraîner, en plus des comportements imprévisibles du système, des dommages physiques, notamment au niveau des actionneurs. Pour la réalisation de tâches complexes, un robot à plusieurs degrés de liberté utilise généralement un système de commande multi-objectif avec lequel plusieurs tâches doivent être réalisées et plusieurs contraintes respectées. Le basculement entre ces différentes tâches ainsi que les contraintes causées par un environnemt dynamique et imprévisible sont les causes directes des variations fortes dans les couples de commande. Dans ce travail, les problèmes de transitions de priorités entre les différentes tâches ainsi que la variation des contraintes sont considérées avec pour objectif la des variations fortes dans les couples de commande. Deux contributions principales ont été réalisées.Premièrement, un nouveau contrôleur appelé "contrôle hiérarchique généralisé (GHC)" est implémenté sous forme d’optimisation quadratique pour gérer la priorité des transitions entre les tâches de poids différents. Le projecteur utilisé assure en plus de la continuité des transitions, la gestion de l’ajout et/ou de la suppression de tâches. Les couples de commande sont alors calculés en résolvant un problème d’optimisation prenant en compte en même temps la hiérarchie des tâches et les contraintes égalitaire et inégalitaires.Deuxièmement, nous avons développé une primitive de contrôle à base de Contrôle par Modèle Prédictif (CMP) afin de gérer l’existence des discontinuités des contraintes que doit respecter le robot, tel que le changement d’état des contacts ou l’évitement d'obstacles. Le contrôleur profite ainsi de la formulation prédictive en anticipant l'évolution des contraintes vis-à-vis des scénarios de commande et/ou de l'information des capteurs. Il permet de générer des nouvelles contraintes continues qui remplacent les anciennes contraintes discrètes dans le contrôleur réactif QP. Par conséquent, le taux de changement des couples articulaires est minimisé, comparé aux anciennes contraintes discrètes. Cette primitive de contrôle prédictive ne modifie pas directement les objectifs désirés des tâches mais les contraintes, ce qui permet de s’assurer que les changements de couple sont bien gérés dans les pires scénarios.L'efficacité de la stratégie de contrôle proposée est validée via des expériences en simulation avec le robot Kuka LWR 4+ et le robot humanoïde iCub. Les résultats montrent que l'approche développée peut réduire de manière significative la variation des couples articulaires pendant les changements de priorité des tâches ou sous contraintes discrètes.

In a global context governed by multiple economic, energetic and environmental factors, the transition towards transportation modes with zero polluting emissions seems inevitable. Hence, automotive manufacturers are investing increasingly in the development of electric powertrains in anticipation of the market needs. Among the different electric motors technologies considered for this application, the switched reluctance motor (SRM) presents attractive characteristics for the industry.The work presented in this thesis aims to elaborate solutions in response to the points still hindering the adoption of the SRM in electric vehicles. First, torque regulation of an SRM intended for an electric traction is analyzed. Taking into consideration the requirements of the application in hand, a regulation strategy is developed through the integration of two methods which complement each other over the studied SRM range of operation.In the second part, the subject of current regulation in the SRM is discussed. The issues related to current regulation in SRMs disposing of high current dynamics are firstly identified. Then, two current regulators, each adapted to different implementation conditions, are presented and validated through simulations.The last part of this thesis discusses the acceleration jerks induced at very low speeds and their repercussions on driving comfort . Indeed, electric traction introduces a new aspect on this rather classic issue. An anti-jerk control law, composed of two control actions, is developed. Simulations have shown the conformity of the performance obtained with the proposed control law with the target industrial specifications., Dans un contexte mondial régi par de multiples facteurs économiques, énergétiques et environnementaux, la transition vers des modes de transport à zéro émission polluante semble inévitable. De ce fait, les constructeurs automobiles s’investissent de plus en plus dans le développement de groupes motopropulseurs électriques afin d’anticiper les besoins du marché. Parmi les différentes technologies de machines électriques considérées pour cette application, la Machine à Réluctance Variable à Double Saillance (MRVDS) présente des caractéristiques très attractives pour le milieu industriel.Les travaux présentés dans cette thèse visent à élaborer des solutions qui répondent aux points qui bloquent encore l’adoption de la MRVDS dans les véhicules électriques. Dans un premier temps, la commande en couple d’une MRVDS destinée à la traction électrique est analysée. En prenant en considération les exigences imposées par l’application envisagée, une stratégie de commande en couple est développée en intégrant deux méthodes complémentaires sur le plan de fonctionnement de la MRVDS choisie.Dans la deuxième partie, l’asservissement en courant est abordé. Les problématiques du contrôle propres à la MRVDS à forte dynamique de courant sont d’abord identifiées. Ensuite, deux régulateurs de courant, qui répondent à différents conditions d’implantation, sont présentés et validés par simulation.La dernière partie de cette thèse aborde le problème des à-coups d’accélération induits à basse vitesse et de leurs répercussions sur l'agrément de conduite. En effet, ce type de motorisation électrique introduit un nouvel aspect sur cette problématique. Une loi de commande anti-à-coups, composée de deux actions, est développée. Les simulations ont montré la conformité de la performance obtenue en utilisant la loi de commande proposée avec le cahier des charges industriel visé.

The research work is dealing with variable speed wind turbines modelling and control design, in order to achieve the objectives of maximizing the extracted energy from the wind, below the rated power area in the one hand and in the other hand regulating the electric power production, above the rated power area, while reducing mechanical transient loads. Thus far, wind turbines control is achieved by using classical regulators by means of PI or PID. The related performance are acceptable for low turbulent wind speed, however, they dramatically decrease during fast wind speed variations. So then, due to the strong non-linearity of the wind turbine aerodynamics, its dynamic aspect and the turbulent nature of the wind, advanced control techniques are being imperative to ensure more efficient wind power system operation.For this purpose, we have studied various control strategies from linear to nonlinear based approaches and for which the advantages and drawbacks have been outlined with regards to the required performance. Some of the controllers that we have developed, herein appear for the first time in the relevant domain, the remaining others are an adaptation of well know controllers to the adopted wind turbine models. As matter of fact, we have derived two wind turbine models as well as a wind speed estimator. Indeed, the estimator allows obtaining the effective wind speed which cannot be measured, since the wind profile around the rotor is variable in time and space. As results, it has been shown that single input control by means of pitch angle or generator control cannot succeed to simultaneously drive the electric power output regulation and the rotor speed reference tracking. So then, our idea is to combine nonlinear dynamic state feedback torque control and pitch linear based control which turns out to be the best strategy. In addition, the validation of the controllers performance, using a high turbulence wind speed profile, has been performed through wind turbine simulators provided by NREL (National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO), has confirmed the theoretical results and has led to quite satisfactory conclusions in terms of energy capture optimization, power regulation and disturbances strong rejection as well., Le travail présenté dans cette thèse porte sur la modélisation et la commande des éoliennes à vitesse et calage variables afin d'atteindre les deux objectifs principaux: à vents faibles, maximiser la capture de l'énergie du vent d'une part et à vents forts, réguler la puissance électrique produite d'autre part. Dans les deux cas, il s'agira également de réduire les charges mécaniques transitoires.A l'heure actuelle, les commandes des systèmes éoliens sont réalisées à l'aide de régulateurs classiques PI ou PID. Leurs performances sont satisfaisantes lorsque le vent n'est pas trop turbulent mais cependant celles-ci se dégradent notablement lors des variations rapides de la vitesse du vent. Par conséquent, il est nécessaire de disposer de systèmes de commande plus performants afin de prendre en compte la forte non-linéarité de l'aérodynamique de l'éolienne, son aspect dynamique et la nature turbulente du vent.Pour cela, nous avons étudié différentes stratégies de commande, en soulignant leurs avantages et inconvénients par rapport aux performances attendues. Parmi les contrôleurs que nous avons développés, si certains sont une adaptation de techniques bien connues pour les modèles de l'éolienne, en revanche les autres apparaissent pour la première fois dans ce domaine. A vents faibles, nous avons élaboré des commandes non linéaires, avec estimateur de la vitesse du vent, qui permet d'obtenir la vitesse du vent fictif qui ne peut pas être mesurée, vu la variabilité spatiotemporelle du profil du vent autour du rotor.Pour la commande à vents forts, il est montré qu'une commande monovariable en calage ou en couple du générateur ne permet pas d'atteindre le double objectif de réguler à la fois la puissance électrique et la vitesse du rotor. Par conséquent, notre idée est de combiner une commande non linéaire par retour d'état dynamique en couple et une commande linéaire en pitch. Cette stratégie s'avère être la meilleure.La validation des performances des contrôleurs a été réalisée avec des simulateurs aéroélastiques d'éoliennes, développés par NREL (National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO) en utilisant des profils de vent de forte turbulence. Les résultats sont satisfaisants aussi bien en termes d'optimisation de la capture de l'énergie du vent qu'en régulation de puissance.

The research of a supply strategy to reduce the torque ripple of a Switched Reluctance Machine (SRM) is the main aim of the study presented.The SRM is very attractive because of its simple structure. Unfortunately, its electromagnetic characteristics are highly nonlinear with regard to the angular position and the supply current (nonsinusoïdal structure, generally saturated state). Moreover, the different phases of the machine have to be successively commutated in order to maintain a continuous rotation. Therefore, the SRM polyphase torque is naturally pulsed, which can be unacceptable for certain applications.In order to reduce the SRM torque ripple with an appropriate control, its electromagnetic characteristics (torque and flux with regard to the position and the current) have to be very precisely determined. Several experimental methods of characterization are studied and compared herein.A model based on this experimental electromagnetic characterization is necessary for the synthesis of the control. The models found in the literature, compared with the experimental data, are not adapted to the SRM under study. An original model is then proposed.After defining an appropriate strategy for the phase commutation, different control algorithms for the minimization of the torque ripple are compared by simulation and experimentation. First, the limits of the classical linear control (Proportional Integral controller, etc) are determined. The performances of the PI controller are improved when the effects of the electromotrice forces are taken into account. Nevertheless, the torque ripple remains significant. In order to compensate the SRM nonlinearities, a nonlinear torque control has been simulated and tested on an experimental bench. Very promising results have been obtained at low and medium speeds., Le but général de l'étude présentée dans cet ouvrage est la recherche d'une stratégie d'alimentation permettant de réduire les ondulations de couple d'une Machine à Réluctance Variable à Double Saillance (MRVDS).La structure très simple de la MRVDS la rend très attractive. Malheureusement, ses caractéristiques électromagnétiques sont fortement non linéaires par rapport à la position angulaire et par rapport au courant d'alimentation (structure non sinusoïdale, fonctionnement généralement en régime saturé). De plus, pour assurer une rotation continue, il faut commuter successivement les différentes phases de la machine. Par conséquent, le couple polyphasé de la MRVDS est naturellement pulsé ce qui peut être intolérable pour certaines applications.Pour réduire par une commande appropriée les ondulations de couple de la MRVDS, ses caractéristiques électromagnétiques (couple et flux en fonction de la position et du courant) doivent être déterminées très précisément. C'est pourquoi, plusieurs méthodes de caractérisation expérimentales sont étudiées et comparées.Un modèle s'appuyant sur cette caractérisation électromagnétique expérimentale est ensuite nécessaire pour la synthèse de la commande. Les modèles de la littérature, confrontés aux données expérimentales, ne sont pas adaptés à la MRVDS étudiée. Ainsi une modélisation originale est proposée.Enfin, après avoir défini une stratégie appropriée pour la commutation des phases, différents algorithmes de commande destinés à minimiser les ondulations de couple sont comparés par simulation et par le biais d'expérimentations. Une première phase de cette étude consiste à déterminer les limites des commandes linéaires classiques (correcteur Proportionnel Intégral, etc). La prise en compte des effets dus aux forces électromotrices permet d'améliorer les performances du correcteur PI, mais les ondulations de couple restent importantes. Pour compenser les non linéarités de la MRVDS, une commande non linéaire en couple a été simulée et essayée sur un banc expérimental. Des résultats très prometteurs ont été obtenus pour des fonctionnements en basse et moyenne vitesses.