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Prevalent approaches for endowing robots with autonomous navigation capabilities require the estimation of a system state representation based on sensor noisy information. This system state usually depicts a set of dynamic variables such as the position, velocity and orientation required for the robot to achieve a task. In robotics, and in many other contexts, research efforts on state estimation converged towards the popular Bayes filter. The primary reason for the success of Bayes filtering is its simplicity, from the mathematical tools required by the recursive filtering equations, to the light and intuitive system representation provided by the underlying Hidden Markov Model. Recursive filtering also provides the most common and reliable method for real-time state estimation thanks to its computational efficiency. To keep low computational complexity, but also because real physical systems are not perfectly understood, and hence never faithfully represented by a model, Bayes filters usually rely on a minimum system state representation. Any unmodeled or unknown aspect of the system is then encompassed within additional noise terms. On the other hand, autonomous navigation requires robustness and adaptation capabilities regarding changing environments. This creates the need for introducing contextual awareness within the filtering process. In this thesis, we specifically focus on enhancing state estimation models for dealing with context-dependent sensor performance alterations. The issue is then to establish a practical balance between computational complexity and realistic modelling of the system through the introduction of contextual information. We investigate on achieving this balance by extending the classical Bayes filter in order to compensate for the optimistic assumptions made by modeling the system through time-homogeneous distributions, while still benefiting from the recursive filtering computational efficiency. Based on raw data provided by a set of sensors and any relevant information, we start by introducing a new context variable, while never trying to characterize a concrete context typology. Within the Bayesian framework, machine learning techniques are then used in order to automatically define a context-dependent time-heterogeneous observation distribution by introducing two additional models: a model providing observation noise predictions and a model providing observation selection rules.The investigation also concerns the impact of the training method we choose. In the context of Bayesian filtering, the model we exploit is usually trained in the generative manner. Thus, optimal parameters are those that allow the model to explain at best the data observed in the training set. On the other hand, discriminative training can implicitly help in compensating for mismodeled aspects of the system, by optimizing the model parameters with respect to the ultimate system performance, the estimate accuracy. Going deeper in the discussion, we also analyse how the training method changes the meaning of the model, and how we can properly exploit this property. Throughout the manuscript, results obtained with simulated and representative real data are presented and analysed.; Ces travaux se focalisent sur une problématique fondamentale de la robotique autonome: l'estimation d'état. En effet, la plupart des approches actuelles permettant à un robot autonome de réaliser une tâche requièrent tout d'abord l'extraction d'une information d'état à partir de mesures capteurs bruitées. Ce vecteur d'état contient un ensemble de variables caractérisant le système à un instant t, comme la position du robot, sa vitesse, etc. En robotique comme dans de nombreux autres domaines, le filtrage bayésien est devenu la solution la plus populaire pour estimer l'état d'un système de façon robuste et à haute fréquence. Le succès du filtrage bayésien réside dans sa relative simplicité, que ce soit dans la mise en oeuvre des équations récursives de filtrage, ou encore dans la représentation simplifiée et intuitive du système au travers du modèle de Markov caché d'ordre 1. Généralement, un filtre bayésien repose sur une description minimaliste de l'état du système. Cette représentation simplifiée permet de conserver un temps d'exécution réduit, mais est également la conséquence de notre compréhension partielle du fonctionnement du système physique. Tous les aspects inconnus ou non modélisés du système sont ensuite représentés de façon globale par l'adjonction de composantes de bruit. Si ces composantes de bruit constituent une représentation simple et unifiée des aspects non modélisés du système, il reste néanmoins difficile de trouver des paramètres de bruit qui sont pertinents dans tous les contextes. En effet, à l'opposé de ce principe de modélisation, la problématique de navigation autonome pose le problème de la multiplicité d'environnements différents pour lesquels il est nécessaire de s'adapter intelligemment. Cette problématique nous amène donc à réviser la modélisation des aspects inconnus du systèmes sous forme de bruits stationnaires, et requiert l'introduction d'une information de contexte au sein du processus de filtrage. Dans ce cadre, ces travaux se focalisent spécifiquement sur l'amélioration du modèle état-observation sous-jacent au filtre bayésien afin de le doter de capacités d'adaptation vis-à-vis des perturbations contextuelles modifiant les performances capteurs. L'objectif principal est donc ici de trouver l'équilibre entre complexité du modèle et modélisation précise des phénomènes physiques représentés au travers d'une information de contexte. Nous établissons cet équilibre en modifiant le modèle état-observation afin de compenser les hypothèses simplistes de bruit stationnaire tout en continuant de bénéficier du faible temps de calcul requis par les équations récursives. Dans un premier temps, nous définissons une information de contexte basée sur un ensemble de mesures capteurs brutes, sans chercher à identifier précisément la typologie réelle de contextes de navigation. Toujours au sein du formalisme bayésien, nous exploitons des méthodes d'apprentissage statistique pour identifier une distribution d'observation non stationnaire et dépendante du contexte. cette distribution repose sur l'introduction de deux nouvelles composantes: un modèle destiné à prédire le bruit d'observation pour chaque capteur, et un modèle permettant de sélectionner un sous-ensemble de mesures à chaque itération du filtre. Nos investigations concernent également l'impact des méthodes d'apprentissage: dans le contexte historique du filtrage bayésien, le modèle état-observation est traditionnellement appris de manière générative, c'est à dire de manière à expliquer au mieux les paires état-observation contenues dans les données d'apprentissage. Cette méthode est ici remise en cause puisque, bien que fondamentalement génératif, le modèle état-observation est uniquement exploité au travers des équations de filtrage, et ses capacités génératives ne sont donc jamais utilisées[...]

Prevalent approaches for endowing robots with autonomous navigation capabilities require the estimation of a system state representation based on sensor noisy information. This system state usually depicts a set of dynamic variables such as the position, velocity and orientation required for the robot to achieve a task. In robotics, and in many other contexts, research efforts on state estimation converged towards the popular Bayes filter. The primary reason for the success of Bayes filtering is its simplicity, from the mathematical tools required by the recursive filtering equations, to the light and intuitive system representation provided by the underlying Hidden Markov Model. Recursive filtering also provides the most common and reliable method for real-time state estimation thanks to its computational efficiency. To keep low computational complexity, but also because real physical systems are not perfectly understood, and hence never faithfully represented by a model, Bayes filters usually rely on a minimum system state representation. Any unmodeled or unknown aspect of the system is then encompassed within additional noise terms. On the other hand, autonomous navigation requires robustness and adaptation capabilities regarding changing environments. This creates the need for introducing contextual awareness within the filtering process. In this thesis, we specifically focus on enhancing state estimation models for dealing with context-dependent sensor performance alterations. The issue is then to establish a practical balance between computational complexity and realistic modelling of the system through the introduction of contextual information. We investigate on achieving this balance by extending the classical Bayes filter in order to compensate for the optimistic assumptions made by modeling the system through time-homogeneous distributions, while still benefiting from the recursive filtering computational efficiency. Based on raw data provided by a set of sensors and any relevant information, we start by introducing a new context variable, while never trying to characterize a concrete context typology. Within the Bayesian framework, machine learning techniques are then used in order to automatically define a context-dependent time-heterogeneous observation distribution by introducing two additional models: a model providing observation noise predictions and a model providing observation selection rules.The investigation also concerns the impact of the training method we choose. In the context of Bayesian filtering, the model we exploit is usually trained in the generative manner. Thus, optimal parameters are those that allow the model to explain at best the data observed in the training set. On the other hand, discriminative training can implicitly help in compensating for mismodeled aspects of the system, by optimizing the model parameters with respect to the ultimate system performance, the estimate accuracy. Going deeper in the discussion, we also analyse how the training method changes the meaning of the model, and how we can properly exploit this property. Throughout the manuscript, results obtained with simulated and representative real data are presented and analysed.; Ces travaux se focalisent sur une problématique fondamentale de la robotique autonome: l'estimation d'état. En effet, la plupart des approches actuelles permettant à un robot autonome de réaliser une tâche requièrent tout d'abord l'extraction d'une information d'état à partir de mesures capteurs bruitées. Ce vecteur d'état contient un ensemble de variables caractérisant le système à un instant t, comme la position du robot, sa vitesse, etc. En robotique comme dans de nombreux autres domaines, le filtrage bayésien est devenu la solution la plus populaire pour estimer l'état d'un système de façon robuste et à haute fréquence. Le succès du filtrage bayésien réside dans sa relative simplicité, que ce soit dans la mise en oeuvre des équations récursives de filtrage, ou encore dans la représentation simplifiée et intuitive du système au travers du modèle de Markov caché d'ordre 1. Généralement, un filtre bayésien repose sur une description minimaliste de l'état du système. Cette représentation simplifiée permet de conserver un temps d'exécution réduit, mais est également la conséquence de notre compréhension partielle du fonctionnement du système physique. Tous les aspects inconnus ou non modélisés du système sont ensuite représentés de façon globale par l'adjonction de composantes de bruit. Si ces composantes de bruit constituent une représentation simple et unifiée des aspects non modélisés du système, il reste néanmoins difficile de trouver des paramètres de bruit qui sont pertinents dans tous les contextes. En effet, à l'opposé de ce principe de modélisation, la problématique de navigation autonome pose le problème de la multiplicité d'environnements différents pour lesquels il est nécessaire de s'adapter intelligemment. Cette problématique nous amène donc à réviser la modélisation des aspects inconnus du systèmes sous forme de bruits stationnaires, et requiert l'introduction d'une information de contexte au sein du processus de filtrage. Dans ce cadre, ces travaux se focalisent spécifiquement sur l'amélioration du modèle état-observation sous-jacent au filtre bayésien afin de le doter de capacités d'adaptation vis-à-vis des perturbations contextuelles modifiant les performances capteurs. L'objectif principal est donc ici de trouver l'équilibre entre complexité du modèle et modélisation précise des phénomènes physiques représentés au travers d'une information de contexte. Nous établissons cet équilibre en modifiant le modèle état-observation afin de compenser les hypothèses simplistes de bruit stationnaire tout en continuant de bénéficier du faible temps de calcul requis par les équations récursives. Dans un premier temps, nous définissons une information de contexte basée sur un ensemble de mesures capteurs brutes, sans chercher à identifier précisément la typologie réelle de contextes de navigation. Toujours au sein du formalisme bayésien, nous exploitons des méthodes d'apprentissage statistique pour identifier une distribution d'observation non stationnaire et dépendante du contexte. cette distribution repose sur l'introduction de deux nouvelles composantes: un modèle destiné à prédire le bruit d'observation pour chaque capteur, et un modèle permettant de sélectionner un sous-ensemble de mesures à chaque itération du filtre. Nos investigations concernent également l'impact des méthodes d'apprentissage: dans le contexte historique du filtrage bayésien, le modèle état-observation est traditionnellement appris de manière générative, c'est à dire de manière à expliquer au mieux les paires état-observation contenues dans les données d'apprentissage. Cette méthode est ici remise en cause puisque, bien que fondamentalement génératif, le modèle état-observation est uniquement exploité au travers des équations de filtrage, et ses capacités génératives ne sont donc jamais utilisées[...]

Ambulatory motion capture is of great interest for applications ranging for the monitoring of elderly people, sporty performances monitoring, functional rehabilitation, etc. These applications require that the movement is not constrained by an external system, that it can be performed in different situations, including outdoor environment. It requires lightweight and low cost equipment; it must be truly ambulatory without complex process of calibration.Currently, only systems using an exoskeleton or inertial modules (often combined with magnetic modules) can be used in such situations. Unfortunately, the exoskeleton weight is not affordable and it imposes constraints on the movements of the person, which makes it unusable for certain applications such as monitoring of the elderly.Inertial technology is lighter. Itcan be used for the capture of movement without constraints on the capture space or on the movements. However, it suffers from gyros drift, and the system must be recalibrated.The objective of this thesis is to develop a system of motion capture for an articulated chain, low-cost, real-time truly ambulatory that does not require specific capture infrastructure, that can be used in many application fields (rehabilitation, sport, leisure, etc.).We focus on intra-corporal measurements. Thus, all sensors are placed on the body and no external device is used. In addition to a final demonstrator to validate the proposed approach, we also develop tools to evaluate the system in terms of technology, number and position of sensors, but also to evaluate different algorithms for data fusion. To do this, we use the Cramer-Rao lower bound. \\The subject is multidisciplinary. It addresses aspects of modelling and design of fully ambulatory hybrid systems. It studies estimation algorithms adapted to the field of motion capture of a whole body by considering the problem of observability of the state and taking into account the biomechanical constraints that can be taken into account. Thus, with an appropriate treatment, the pose of a subject can be reconstructed in real time from intra-body measurements., La capture de mouvement ambulatoire est un sujet en plein essor pour des applications aussi diverses que le suivi des personnes âgées, l'assistance des sportifs de haut niveau, la réhabilitation fonctionnelle, etc. Ces applications exigent que le mouvement ne soit pas contraint par un système externe, qu’il puisse être réalisé dans différentes situations, y compris en extérieur, que l’équipement soit léger et à un faible coût, qu’il soit réellement ambulatoire et sans procédure complexe de calibration.Actuellement, seuls les systèmes utilisant un exosquelette ou bien des modules inertiels (souvent combinés avec des modules magnétiques) permettent d'effectuer de la capture de mouvement de façon ambulatoire. Le poids de l’exosquelette est très important et il impose des contraintes sur les mouvements de la personne, ce qui le rend inutilisable pour certaines applications telles que le suivi de personnes âgées. La technologie inertielle est plus légère. Elle permet d'effectuer la capture du mouvement sans contrainte sur l’espace de mesure ou sur les mouvements réalisés. Par contre, elle souffre de dérives des gyromètres, et le système doit être recalibré.L'objectif de cette thèse est de développer un système de capture de mouvement de chaînes articulées, bas-coût et temps réel, réellement ambulatoire, ne nécessitant pas d'infrastructure de capture spécifique, permettant une utilisation dans de nombreux domaines applicatifs (rééducation, sport, loisirs, etc.).On s'intéresse plus particulièrement à des mesures intra-corporelles. Ainsi, tous les capteurs sont placés sur le corps et aucun dispositif externe n'est utilisé. Outre un démonstrateur final permettant de valider l'approche proposée, on s'astreint à développer également des outils qui permettent de dimensionner le système en termes de technologie, nombre et position des capteurs, mais également à évaluer différents algorithmes de fusion des données. Pour ce faire, on utilise la borne de Cramer-Rao.Le sujet est donc pluridisciplinaire. Il traite des aspects de modélisation et de dimensionnement de systèmes hybrides entièrement ambulatoires. Il étudie des algorithmes d'estimation adaptés au domaine de la capture de mouvement corps entier en traitant les problématiques d'observabilité de l'état et en tenant compte des contraintes biomécaniques pouvant être appliquées. Ainsi, un traitement adapté permet de reconstruire en temps réel la posture du sujet à partir de mesures intra-corporelles, la source étant également placée sur le corps.