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Ce travail de thèse s'inscrit dans le développement d'un véhicule autonome en milieu autoroutier. Plus précisément, il s'agit de proposer une architecture unifiée de génération de trajectoires avec une prise de décision prenant en compte les limitations de l'environnement et des informations disponibles actuellement sur un véhicule automatisé.La méthode propose d'une part de générer des trajectoires sous forme de sigmoı̈de dans une représentation spatiotemporelle continue de l'espace de navigation, préalablement réduit par la modélisation d'intervalles sans collision en conditionnominale de conduite. Les paramètres de la sigmoı̈de sont ensuite optimisés par une stratégie de recuit simulé utilisant l'algorithme de prise de décision comme fonction d'évaluation de la trajectoire générée. De cette manière, les problèmes de discrétisation et de découplage position/vitesse sont évités. D'autre part, l'agrégation des théories de logique floue etdes croyances permet une prise de décision sur des critères hétérogènes et des données incertaines. Le formalisme présenté offre la possibilité d'adapter le comportement du véhicule aux passagers, notamment selon leur perception du risque et leur souhait d'une conduite souple ou sportive.L'approche développée a finalement été évaluée et validée en environnement de simulation puis sur un véhicule de test. La brique de planification a alors été intégrée à l'architecture existante du véhicule, en aval des briques de localisation et de perception des obstacles et en amont de la brique de contrôle.

This thesis work is part of the development of a self-driving car in highway environments. More precisely, it aims to propose a unified architecture of trajectory planner and decision-maker taking into account the limitations of the environment and the available data within the current development of sensors technologies (distance limitations, uncertainties).On the one hand, the method generates sigmoid trajectories in a continuous spatiotemporal representation of the evolution space, which is reduced beforehand by modeling collision-free intervals in nominal conditions of driving. The sigmoid parameters are subsequently optimized with a simulated annealing approach that uses the decision-maker algorithm as the evaluation function for the generated trajectory. It thus makes it possible to elude both the discretization and position/speed decoupling problems. On the other hand, the aggregation of fuzzy logic and belief theory allows decision making on heterogeneous criteria and uncertain data. The proposed framework also handles personalization of the vehicle's behavior, depending on the passengers' risk perception and an aggressive or conservative driving style.The presented approach was finally evaluated and validated in a simulation environment, and then in a test vehicle. The planning block was integrated into the existing vehicle's architecture, interfaced with the localization, obstacles' perception and control blocks.

Advisors/Committee Members: Glaser, Sébastien (thesis director), Revilloud, Marc (thesis director), Orfila, Olivier (thesis director), Gruyer, Dominique (thesis director).

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Comme les robots effectuent de plus en plus de tâches en interaction avec l'homme ou dans un environnement humain, ils doivent assurer la sécurité et le confort des hommes. Dans ce contexte, le robot doit adapter son comportement et agir en fonction des évolutions de l'environnement et des activités humaines. Les robots développés sur la base de l'apprentissage ou d'un planificateur de mouvement ne sont pas en mesure de réagir assez rapidement, c'est pourquoi nous proposons d'introduire un contrôleur de trajectoire intermédiaire dans l'architecture logicielle entre le contrôleur bas niveau et le planificateur de plus haut niveau. Le contrôleur de trajectoire que nous proposons est basé sur le concept de générateur de trajectoire en ligne (OTG), il permet de calculer des trajectoires en temps réel et facilite la communication entre les différents éléments, en particulier le planificateur de chemin, le générateur de trajectoire, le détecteur de collision et le contrôleur. Pour éviter de replanifier toute une trajectoire en réaction à un changement induit par un humain, notre contrôleur autorise la déformation locale de la trajectoire et la modification de la loi d'évolution pour accélérer ou décélérer le mouvement. Le contrôleur de trajectoire peut également commuter de la trajectoire initiale vers une nouvelle trajectoire. Les fonctions polynomiales cubiques que nous utilisons pour décrire les trajectoires fournissent des mouvements souples et de la flexibilité sans nécessiter de calculs complexes. De plus, les algorithmes de lissage que nous proposons permettent de produire des mouvements esthétiques ressemblants à ceux des humains. Ce travail, mené dans le cadre du projet ANR ICARO, a été intégré et validé avec les robots KUKA LWR de la plate-forme robotique du LAAS-CNRS.

In order to perform a large variety of tasks in interaction with human or in human environments, a robot needs to guarantee safety and comfort for humans. In this context, the robot shall adapt its behavior and react to the environment changes and human activities. The robots based on learning or motion planning are not able to adapt fast enough, so we propose to use a trajectory controller as an intermediate control layer in the software structure. This intermediate layer exchanges information with the low level controller and the high level planner. The proposed trajectory controller, based on the concept of Online Trajectory Generation (OTG), allows real time computation of trajectories and easy communication with the different components, including path planner, trajectory generator, collision checker and controller. To avoid the replan of an entire trajectory when reacting to a human behaviour change, the controller must allow deforming locally a trajectory or accelerate/decelerate by modifying the time function. The trajectory controller must also accept to switch from an initial trajectory to a new trajectory to follow. Cubic polynomial functions are used to describe trajectories, they provide smoothness, flexibility and computational…

Advisors/Committee Members: Sidobre, Daniel (thesis director).

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Dans cette thèse nous nous intéressons à deux types d'approches pour la planification de pas pour robots humanoïdes : d'une part les approches discrètes où le robot n'a qu'un nombre fini de pas possibles, et d'autre part les approches où le robot se base sur des zones de faisabilité continues. Nous étudions ces problèmes à la fois du point de vue théorique et pratique. En particulier nous décrivons deux méthodes originales, cohérentes et efficaces pour la planification de pas, l'une dans le cas discret (chapitre 5) et l'autre dans le cas continu (chapitre 6). Nous validons ces méthodes en simulation ainsi qu'avec plusieurs expériences sur le robot HRP-2.

In this thesis we investigate two types of approaches for footstep planning for humanoid robots: on one hand the discrete approaches where the robot has only a finite set of possible steps, and on the other hand the approaches where the robot uses continuous feasibility regions. We study these problems both on a theoretical and practical level. In particular, we describe two original, coherent and efficient methods for footstep planning, one in the discrete case (chapter 5), and one in the continuous case (chapter 6). We validate these methods in simulation and with several experiments on the robot HRP-2.

Advisors/Committee Members: Lamiraux, Florent (thesis director), Stasse, Olivier (thesis director).

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Un des buts de la recherche et du développement des systèmes de transport intelligents est d'augmenter le confort et la sécurité des passagers, tout en réduisant la consommation d'énergie, la pollution de l'air et le temps de déplacement. L'introduction de voitures complètement autonomes sur la voie publique nécessite la résolution d'un certain nombre de problèmes techniques et en particulier de disposer de modules de planification de trajectoire robustes. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre. Il propose une architecture modulaire pour la planification de trajectoire d'un véhicule autonome. La méthode permet de générer des trajectoires constituées de courbes interpolées adaptées à des environnements complexes comme des virages, des ronds-points, etc., tout en garantissant la sécurité et le confort des passagers. La prise en compte de l'incertitude des systèmes de perception, des limites physiques du véhicule, de la disposition des routes et des règles de circulation est aussi assurée dans le calcul de la trajectoire. L'algorithme est capable de modifier en temps réel la trajectoire prédéfinie de façon à éviter les collisions. Le calcul de la nouvelle trajectoire maintient les accélérations latérales à leur minimum, assurant ainsi le confort du passager. L'approche proposée a été évaluée et validée dans des environnements simulés et sur des véhicules réels. Cette méthode permet d'éviter les obstacles statiques et dynamiques repérés par le système de perception.Un système d'aide à la conduite pour le contrôle partagé basé sur cette architecture est introduit. Il prend en compte l'arbitrage, la surveillance et le partage de la conduite tout en maintenant le conducteur dans la boucle de contrôle. Il laisse le conducteur agir tant qu'il n'y a pas de danger et interagit avec le conducteur dans le cas contraire. L'algorithme se décompose donc en deux processus : 1) évaluation du risque et, s'il y a un risque avéré 2) partage du contrôle à l'aide de signaux haptiques via le volant.La méthode de planification de trajectoire présentée dans cette thèse est modulaire et générique. Elle peut être intégrée facilement dans toute architecture d'un véhicule autonome.

Developments in the Intelligent Transportation Systems (ITS) field show promising results at increasing passengers comfort and safety, while decreasing energy consumption, emissions and travel time. In road transportation, the appearance of automated vehicles is significantly aiding drivers by reducing some driving-associated tedious tasks. However, there is still a long way to go before making the transition between automated vehicles (i.e. vehicles with some automated features) and autonomous vehicles on public roads (i.e. fully autonomous driving), specially from the motion planning point of view. With this in mind, the present PhD thesis proposes the design of a generic modular architecture for automated vehicles motion planning. It implements and improves curve interpolation techniques in the motion planning literature by including comfort as the main…

Advisors/Committee Members: Nashashibi, Fawzi (thesis director).

▼ L’intelligence artificielle est un domaine de l’informatique étudiant la conception d’agents intelligents. Un agent est une entité acquérant de l’information sur son environnement par ses capteurs et agissant sur son environnement à travers ses actionneurs. Certains agents existent seulement dans le domaine logiciel, comme par exemple un agent intelligent pour un jeu vidéo, alors que d’autres existent dans le monde physique, tels les robots mobiles. Les domaines des jeux vidéo et de la robotique partagent certaines caractéristiques, dont la nécessité de prendre des décisions en temps réel dans un environnement dynamique ainsi qu’une vue incomplète sur cet environnement. Ce mémoire est divisé en deux chapitres. Le premier chapitre traite d’une approche de planification de trajectoires exploitant la géométrie d’une classe particulière de robots omnidirectionnels non-holonomes afin de calculer des chemins adéquats leur permettant d’atteindre une destination désirée. Les résultats obtenus avec cette approche tendent à démontrer qu’elle est plus efficace que les algorithmes traditionnels de planification de trajectoires grâce à l’information additionnelle prise en compte lors du calcul. Le second chapitre décrit l’architecture décisionnelle de l’agent intelligent SPAR qui est en mesure de jouer de façon autonome des parties de StarCraft : Brood War, un jeu de stratégie en temps réel. L’architecture de SPAR inclut entre autres des algorithmes de planification de trajectoires similaires à ceux du premier chapitre. Elle permet de faire face plus facilement et de façon plus rigoureuse, en comparaison avec les architectures existantes, aux nombreuses difficultés propres à ce type de jeu. Ces difficultés incluent un degré élevé de concurrence dans les actions et une multitude d’unités à contrôler dans un contexte temps réel. L’agent SPAR a participé aux volets 2011 et 2012 de la compétition AIIDE de StarCraft et à l’édition 2012 de la compétition SSCAI où il a obtenu à chaque fois des résultats honorables. Advisors/Committee Members: Kabanza, Froduald (advisor).

▼ Les systèmes de transport intelligents (STI) sont conçus pour améliorer les transports, réduire les accidents, le temps de transport et la consommation de carburant, tout en augmentant la sécurité, le confort et l'efficacité de conduite. L'objectif final de ITS est de développer ADAS pour faciliter les tâches de conduite, jusqu'au développement du véhicule entièrement automatisé. Les systèmes actuels ne sont pas assez robustes pour atteindre un niveau entièrement automatisé à court terme. Les environnements urbains posent un défi particulier, car le dynamisme de la scène oblige les algorithmes de navigation à réagir en temps réel aux éventuels changements, tout en respectant les règles de circulation et en évitant les collisions avec les autres usagers de la route. Sur cette base, cette thèse propose une approche de la planification locale en deux étapes pour apporter une solution au problème de la navigation en milieu urbain. Premièrement, les informations statiques des contraintes de la route et du véhicule sont considérées comme générant la courbe optimale pour chaque configuration de virage réalisable, où plusieurs bases de données sont générées en tenant compte de la position différente du véhicule aux points de début et de fin des courbes, permettant ainsi une analyse réaliste. planificateur de temps pour analyser les changements de concavité en utilisant toute la largeur de la voie. Ensuite, la configuration réelle de la route est envisagée dans le processus en temps réel, où la distance disponible et la netteté des virages à venir et consécutifs sont étudiées pour fournir un style de conduite à la manière humaine optimisant deux courbes simultanément, offrant ainsi un horizon de planification étendu. Par conséquent, le processus de planification en temps réel recherche le point de jonction optimal entre les courbes. Les critères d’optimalité minimisent à la fois les pics de courbure et les changements abrupts, en recherchant la génération de chemins continus et lisses. Quartic Béziers est l'algorithme d'interpolation utilisé en raison de ses propriétés, permettant de respecter les limites de la route et les restrictions cinématiques, tout en permettant une manipulation facile des courbes. Ce planificateur fonctionne à la fois pour les environnements statiques et dynamiques. Les fonctions d'évitement d'obstacles sont présentées en fonction de la génération d'une voie virtuelle qui modifie le chemin statique pour effectuer chacune des deux manoeuvres de changement de voie sous la forme de deux courbes, convertissant le problème en un chemin statique. Ainsi, une solution rapide peut être trouvée en bénéficiant du planificateur local statique. Il utilise une discrétisation en grille de la scène pour identifier l'espace libre nécessaire à la construction de la route virtuelle, où le critère de planification dynamique consiste à réduire la pente pour les changements de voie. Des essais de simulation et des tests expérimentaux ont été réalisés pour valider l'approche dans des environnements statiques et dynamiques,… Advisors/Committee Members: Nashashibi, Fawzi (thesis director).

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Pour traiter des défis écologiques et créer de nouveaux avantages concurrentiels, les entreprises ont besoin de considérer et d’intégrer les aspects environnementaux dans tous les processus de l'entreprise. De nombreuses méthodes environnementales existent, ainsi que des solutions visant leur intégration dans les processus de l’entreprise. Mais la revue de la littérature montre qu’une approche systémique combinant besoins stratégiques et pratiques de l’éco-conception pourrait favoriser cette intégration.Cette thèse, qui s’intègre dans le module « tactique » du projet national ANR-Convergence,vise à fournir un nouveau cadre d’analyse, s’appuyant sur un ensemble de méthodes environnementales. Ce cadre doit permettre d'identifier et de planifier une séquence d’actions appropriée pour une meilleure intégration de l’environnement en entreprise. Ainsi, une analyse claire, visant l’identification de l’ensemble des méthodes et solutions existantes et l’identification de leurs interrelations a été menée.Notre travail a ainsi consisté à identifier les corrélations opérationnelles entre les méthodes via une cartographie, puis a mettre en évidence des relations entre ces méthodes et les besoins dynamiques des entreprises. Ceci nous a permis de proposer au final une approche systémique pour la création de feuilles de route environnementales en entreprise. Ces feuilles de route vont s’adresser aussi bien aux niveaux stratégiques, tactiques qu’opérationnels des entreprises.Les résultats de trois expérimentations menées montrent que les propositions ci-dessus conduisent bien à la création de feuilles de routes appropriées aux besoins réels et souvent dynamiques des entreprises.Ces feuilles de routes tracent ainsi les actions à mener et indiquent les potentiels outils à leur associer,afin d’identifier le processus opérationnel réel et d'organiser le flux de travail entre les différentes fonctions de l'entreprise.

To answer environmental challenge and create new competitive advantages, the companies needto consider and integrate environmental considerations into all its processes. Numerous environmentalmethods exist as well as solutions to integrate them into companies. But, the literature review realisedindicates that a systemic approach combining strategic and practical needs from eco-design couldfacilitate this integration.This thesis, which represents the "tactic" module of the national research project ANR- Convergence,aims to provide a new framework to identify a suitable operational trajectory for a better integration ofenvironmental consideration in companies. Thus, a clear analysis about the identification of theseexisting methods and their interrelationships was realised. Our work was to identify the operativecorrelation between methods via a cartography, then the relationship between those methods and thedynamic needs/contexts of companies to finally propose ” environmental roadmaps. So, we finallypropose a systematic approach to define environmental roadmaps in companies.Those roadmapsconcern the strategis, tactic and…

Advisors/Committee Members: Zwolinski, Peggy (thesis director).

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Les systèmes d’aide à la conduite, en général, et plus particulièrement les systèmes d’aide à l’évitement de collision sont de plus en plus en présents dans les véhicules car ils ont un très fort potentiel de réduction du nombre d’accidents de la circulation.En effet, ces systèmes ont pour rôle d’assister le conducteur, voire de se substituer à lui lorsque la situation de conduite indique un risque de collision important. Cette thèse traite du développement de ces systèmes en abordant quelques problématiques rencontrées.Afin de réagir convenablement, le système a d’abord besoin d’une représentation aussi fidèle que possible de l’environnement du véhicule. La perception est faite au moyen de capteurs extéroceptifs qui permettent de détecter les objets et d’en mesurer divers paramètres selon leur principe de mesure. La fusion des données individuelles des capteurs permet d’obtenir une information globale plus juste, plus certaine et plus variée. Ce travail traite en profondeur des méthodes de suivi d’objets par fusion de données multi-capteur, multimodale au niveau piste. Les approches proposées ont été évaluées puis approuvées grâce à des données de roulage réel et sur des données de conduite simulées.Il est ensuite nécessaire de faire une analyse de la scène perçue au cours du temps afin d’évaluer le risque de collision encouru par le véhicule porteur du système. Cette thèse propose des méthodes de prédiction de trajectoire et de calcul de probabilité de collision, à divers horizons temporels afin de quantifier le risque de collision et d’établir ainsi divers niveaux d’alerte au conducteur. Un simulateur de scénarios automobiles a été utilisé pour valider la cohérence des méthodes d’analyse de scène.Enfin, lorsque le risque de collision atteint un seuil jugé critique, le système doit calculer une trajectoire d’évitement de collision qui sera ensuite automatiquement exécutée. Les principales approches de planification de trajectoires ont été revues et un choix a été fait et motivé en accord avec le contexte de système d’aide à la conduite.

Driver assistant systems in general, and specially collision avoidance systems are more and more installed in recent vehicles because of their high potential in reducing the number road accidents. Indeed, those systems are designed to assist the driver or even to take its place when the risk of collision is very important. This thesis deals with the main challenges in the development of collision avoidance systems. In order to react in a convenient way, the system must, first, build a faithful representation of the environment of the ego-vehicle. Perception is made by means of exteroceptive sensors that detect objects and measure different parameters, depending on their measurement principle. The fusion of individual sensor data allows obtaining a global knowledge that is more accurate, more certain and more varied. This research work makes a deep exploration of high level multisensor, multimodal, multitarget tracking methods. The proposed approaches are evaluated and validated…

Advisors/Committee Members: Bonnifait, Philippe (thesis director), Berge-Cherfaoui, Véronique (thesis director).

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Contexte Avec l'augmentation continue du trafic aérien, une refonte des méthodes de planification pour les trajectoires des avions est nécessaire. De nombreuses pistes, telles que les fonctions de navigation, ont été proposées, mais dans le domaine de la gestion du trafic aérien, toute nouvelle méthode doit démontrer sa fiabilité avant de pouvoir être déployée. Objectifs Implémenter des outils permettant de démontrer la robustesse des trajectoires obtenues avec les fonctions de navigation harmoniques aux aléas liés au vent qui ont pour effet de déplacer longitudinalement les avions. Méthodes La variation de Hadamard permet de déterminer la variation de la solution d'une équation différentielle sous une perturbation des bords du domaine. La mise en oeuvre de cette formule de variation nécessite l'implémentation d'une méthode efficace pour le calcul numérique de la fonction de Green. Résultats Nous avons montré dans cette thèse qu'il est possible d'obtenir la fonction de Green, ainsi que ses dérivées, de façon semi-analytique. De plus, les valeurs obtenues par cette méthode pour la fonction de Green peuvent être utilisées dans le calcul de la variation de Hadamard. Conclusions L'utilisation de cette fonction de Green semi-analytique pour le calcul de la variation de Hadamard permet de prendre en compte des incertitudes sur la position des obstacles. Des pistes d'amélioration de cette méthode basée sur la fonction de Hadamard sont également proposées, notamment pour optimiser le temps de calcul de la variation et pour améliorer la précision des résultats.

Context As air traffic continues to increase, new aircraft trajectory plannification methods need to be implemented. Navigation functions have been implemented to this end, but their reliability in an uncertain environment is yet to be demonstrated. Aims Implementing new tools based on the Hadamard variational formula to take into account the uncertainties on the longitudinal position of aircraft when computing the navigation function. Methods The Hadamard variation makes it possible to assess the effect of a domain boundary variation on the trajectories computed using harmonic navigation functions. Using this variational formula requires the developpment of an efficient method to numerically compute the Green's function. Results We demonstrate in this thesis that it is possible to numerically determine the Green's function and its derivatives with a semi-analytical method. Furthermore, the Green's function determined in this manner can be used to compute the Hadamard variational formula. Conclusions This semi-analytical Green's function can be used to compute the Hadamard variational formula and makes it possible to account for uncertainties on the position of obstacles. We also give some leads on how to improve this method based on the Hadamard variational formula, most notably on how to reduce computation time and improve accuracy.

Advisors/Committee Members: Puechmorel, Stéphane (thesis director), Dufour, Guillaume (thesis director).

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Les travaux de cette thèse portent sur la navigation des véhicules autonomes, notamment la planification de trajectoires et le contrôle du véhicule. En premier lieu, un modèle véhicule plan est développé en utilisant une technique de modélisation qui assimile le véhicule à un robot constitué de plusieurs corps articulés. La description géométrique du véhicule est basée sur la convention de Denavit-Hartenberg modifiée. Le modèle dynamique du véhicule est ensuite calculé en utilisant la méthode récursive de Newton-Euler, qui est souvent utilisée dans le domaine de robotique. La validation du modèle a été conduite sur le simulateur Scaner-Studio développé par Oktal pour les applications automobiles. Le modèle du véhicule développé est ensuite utilisé pour la synthèse de lois de commande couplées pour les dynamiques longitudinale et latérale du véhicule. Deux correcteurs sont proposés dans ce travail : le premier est basé sur les techniques de commande par Lyapunov, le second utilise une approche ”Immersion et Invariance”. Ces deux contrôleurs ont pour objectifs de suivre une trajectoire de référence donnée avec un profil de vitesse désirée, tout en tenant compte du couplage existant entre les dynamiques longitudinale et latérale du véhicule. En effet, le contrôle couplé est nécessaire pour garantir la sécurité du véhicule autonome surtout lors de l’exécution des manœuvres couplées comme les manœuvres de changement de voie, les manœuvres d’évitement d’obstacles et les manœuvres exécutées dans les situations de conduite critiques. Les contrôleurs développés ont été validés en simulation sous Matlab/Simulink en utilisant des données expérimentales. Par la suite, ces contrôleurs ont été validés expérimentalement en utilisant le véhicule démonstrateur robotisé (Renault-Zoé) du laboratoire Heudiasyc financé par l’Equipex Robotex. En ce qui concerne la planification de trajectoires, une méthode de planification basée sur la méthode des tentacules sous forme de clothoides a été développée. En outre, une méthode de planification de manœuvres qui s’intéresse essentiellement à la manœuvre de dépassement a été mise en place, afin d’améliorer et de compléter la méthode locale des tentacules. Le planificateur local et le planificateur de manœuvres ont été ensuite combinés pour établir une stratégie de navigation complète. Cette stratégie a été validée par la suite sous Matlab/Simulink en utilisant le modèle de véhicule développé et le contrôleur basé sur Lyapunov.

In this thesis, the trajectory planning and the control of autonomous vehicles are addressed. As a first step, a multi-body modeling technique is used to develop a four wheeled vehicle planar model. This technique considers the vehicle as a robot consisting of articulated bodies. The geometric description of the vehicle system is derived using the modified Denavit Hartenberg parameterization and then the dynamic model of the vehicle is computed by applying a recursive method used in robotics, namely Newton-Euler based Algorithm. The validation of the developed vehicle…

Advisors/Committee Members: Talj, Reine (thesis director), Charara, Ali (thesis director).

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Ce manuscrit étudie les images omnidirectionnelles catadioptriques couleur en tant que variétés Riemanniennes. Cette représentation géométrique ouvre des pistes intéressantes pour résoudre les problèmes liés aux distorsions introduites par le système catadioptrique dans le cadre de la perception couleur des systèmes autonomes. Notre travail démarre avec un état de l’art sur la vision omnidirectionnelle, les différents dispositifs et modèles de projection géométriques. Ensuite, nous présentons les notions de base de la géométrie Riemannienne et son utilisation en traitement d’images. Ceci nous amène à introduire les opérateurs différentiels sur les variétés Riemanniennes, qui nous seront utiles dans cette étude. Nous développons alors une méthode de construction d’un tenseur métrique hybride adapté aux images catadioptriques couleur. Ce tenseur a la double caractéristique, de dépendre de la position géométrique des points dans l’image, et de leurs coordonnées photométriques également. L’exploitation du tenseur métrique proposé pour différents traitements des images catadioptriques, est une partie importante dans cette thèse. En effet, on constate que la fonction Gaussienne est au cœur de plusieurs filtres et opérateurs pour diverses applications comme le débruitage, ou bien l’extraction des caractéristiques bas niveau à partir de la représentation dans l’espace-échelle Gaussien. On construit ainsi un nouveau noyau Gaussien dépendant du tenseur métrique Riemannien. Il présente l’avantage d’être applicable directement sur le plan image catadioptrique, également, variable dans l’espace et dépendant de l’information image locale. Dans la dernière partie de cette thèse, nous discutons des applications robotiques de la métrique hybride, en particulier, la détection de l’espace libre navigable pour un robot mobile, et nous développons une méthode de planification de trajectoires optimal.

This manuscript investigates omnidirectional catadioptric color images as Riemannian manifolds. This geometric representation offers insights into the resolution of problems related to the distortions introduced by the catadioptric system in the context of the color perception of autonomous systems. The report starts with an overview of the omnidirectional vision, the different used systems, and the geometric projection models. Then, we present the basic notions and tools of Riemannian geometry and its use in the image processing domain. This leads us to introduce some useful differential operators on Riemannian manifolds. We develop a method of constructing a hybrid metric tensor adapted to color catadioptric images. This tensor has the dual characteristic of depending on the geometric position of the image points and their photometric coordinates as well.In this work, we mostly deal with the exploitation of the previously constructed hybrid metric tensor in the catadioptric image processing. Indeed, it is recognized that the Gaussian function is at the core of several filters and operators for various applications, such as noise…

Advisors/Committee Members: Labbani-Igbida, Ouiddad (thesis director).

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Dans le contexte du futur système de gestion du trafic aérien, un des objectifs consiste à réduire l’impact environnemental du trafic aérien. Pour respecter ce but, le concept de “free-route”, introduit dans les années 1990, semble bien adapté aujourd’hui. Les avions ne seraient plus contraints à voler le long de routes aériennes, mais pourraient suivre des trajectoires optimales en terme de consommation. L’objectif de cette thèse est d’introduire une nouvelle méthode de planification du trafic à l’horizon pré-tactique avec des objectifs quelques fois contradictoires, c’est-à-dire avec pour but de minimiser la consommation ou de façon équivalente la durée de trajet en tenant compte des conditions météorologiques et de minimiser l’encombrement de l’espace aérien.La méthode a été mise au point en deux étapes. La première étape a été consacrée au calcul d’une seule trajectoire optimale en terme de temps de vol en tenant compte du vent et de contraintes celles des zones interdites de survol. Cette optimisation est basée sur une adaptation de l’algorithme Ordered Upwind. La deuxième étape introduit un algorithme hybride développé, basé sur un algorithme de recuit simulé et sur l’algorithme déterministe développé dans la première étape, afin de minimiser un compromis entre la congestion et la consommation. L’algorithme combine ainsi la capacité d’atteindre la solution optimale globale via une recherche locale qui permet d’accélérer la convergence.Des simulations numériques avec des prévisions de vent sur du trafic européen donnent des résultats encourageants qui démontrent que la méthode globale est à la fois viable et bénéfique en terme du temps de vol total comme de la congestion globale donc de la diminution des conflits

In the context of the future Air Traffic Management system (ATM), one objective is to reduce the environmental impact of air traffic. With respect to this criterion, the “freeroute” concept, introduced in the mid 1990’s, is well suited to improve over nowadays airspace based ATM. Aircraft will no longer be restricted to fly along airways and may fly along fuel-optimal routes. The objective of this thesis is to introduce a novel pretactical trajectory planning methodology which aims at minimizing airspace congestion while taking into account weather conditions so as to minimize also fuel consumption.The development of the method was divided in two steps. The first step is dedicated to compute a time-optimal route for one aircraft taking into account wind conditions. This optimization is based on an adaptation of the Ordered Upwind Method on the sphere.The second step introduces a hybrid algorithm, based on simulated annealing and on the deterministic algorithm developed in the first step, in order to minimize congestion. Thus the algorithm combines the ability to reach a globally-optimal solution with a local-search procedure that speeds up the convergence.

Advisors/Committee Members: Rabut, Christophe (thesis director), Delahaye, Daniel (thesis director).

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

The mobile robotics is an area of research that aims to give a machine the ability to move in an environment without assistance or human intervention. This thesis focuses on the decisional part of robotic navigation, namely motion planning for a non-holonomic mobile robot, for which, the consideration of kinematic and non-holonomic constraints is paramount. Also, the need to consider the specific geometry of the robot and the good control of the environment in which it operates are constraints to insure. Indeed, motion planning is to calculate a feasible movement to be performed by the robot between an initial and a final given position. Depending on the nature of the environment, two instances of the problem stand out: the path planning and the trajectory planning. The objective of this thesis is to propose new algorithms to contribute to the two instances of motion planning problem. The followed methodology is based on generic solutions that are applicable to a class of robotic systems rather than a particular architecture. The proposed approaches include the Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) in the modeling process of the generated solutions while relying on the local control property. Also, they use genetic algorithms for better exploration of the search space.

Advisors/Committee Members: Marthon, Philippe (thesis director), Bsaïes, Khaled (thesis director).