Robust trajectory tracking of mobile manipulators based on extended state observer and nonlinear control

Résumé

Cette thèse de doctorat propose et valide expérimentalement des stratégies de commande non linéaire basées sur des observateurs d’état étendus pour le suivi de trajectoire en temps réel de manipulateurs mobiles (MM) opérant dans des environnements incertains et dynamiques. Les approches développées visent à surmonter les limitations des méthodes de commande conventionnelles dans la gestion du couplage non linéaire, des incertitudes paramétriques et des perturbations externes, qui affectent significativement la stabilité et la précision de suivi des manipulateurs mobiles. Les manipulateurs mobiles combinent la dextérité des bras robotiques ayant plusieurs degrés de liberté avec la mobilité des plateformes à roues, élargissant ainsi leur espace de travail opérationnel et permettant des applications dans l’automatisation industrielle, l’assistance médicale et l’exploration planétaire. Cependant, leur dynamique complexe et couplée, caractérisée par des contraintes non holonomes et des sous-systèmes interconnectés, rend le suivi de trajectoire une tâche particulièrement difficile. Cette recherche aborde ces défis en développant un cadre unifié observateur-contrôleur qui garantit des performances de suivi de trajectoire robustes, de haute précision et à temps fixe. La première partie de la recherche introduit un schéma de commande par rejet actif de perturbations non linéaire (NADRC), dans lequel un observateur d’état étendu non linéaire (NESO)estimelesperturbations totales provenant des incertitudes du modèle et des perturbations externes, tandis qu’un contrôleur PD non linéaire assure un suivi de trajectoire précis. La deuxième contribution propose une commande par mode glissant terminal rapide non singulier basée sur un observateur d’état étendu (ESO–NFTSMC) pour les manipulateurs mobiles couplés à n degrés de liberté (DDL). Cette conception élimine les singularités, améliore la réponse transitoire et compense les perturbations globales en temps réel, atteignant une convergence en temps fini avec un niveau de réticence (chattering) réduit. Enfin, la troisième et principale contribution développe une commande par mode glissant terminal à temps fixe (FTSMC) intégrée avec un observateur d’état étendu à temps fixe (FESO). Ce cadre assure la convergence vers la trajectoire désirée dans une limite de temps prédéfinie, indépendante des conditions initiales, tout en maintenant la robustesse face aux incertitudes et au bruit de mesure. Toutes les approches proposées sont analysées mathématiquement en utilisant la théorie de la stabilité de Lyapunov et validées expérimentalement sur une plateforme de manipulateur mobile à 5 DDL (Mob-ETS) développée à l’ÉTS. Les résultats en temps réel démontrent des performances progressivement sophistiquées, allant du suivi fluide et robuste du NADRC à la convergence rapide en temps fini de l’ESO-NFTSMC, et culminant avec la convergence vérifiée en temps fixe du cadre FTSMC-FESO. Tous les contrôleurs montrent une excellente précision de suivi et une forte robustesse contre les perturbations externes dans une variété de conditions de fonctionnement. Dans l’ensemble, cette recherche établit un cadre de commande complet et vérifié expérimentale ment pour le suivi de trajectoire robuste et à temps garanti des manipulateurs mobiles, apportant une contribution significative au domaine de la commande robotique non linéaire et posant les bases pour de futures extensions vers la coordination multi-robots et la conception d’observateurs adaptatifs à temps fixe.

Date	17 févr. 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Maarouf Saad (Directeur(-trice)), Mohamad Saad (Codirecteur(-trice)) & Raouf Fareh (Codirecteur(-trice))