Étude du caractère automatique du processus de contrôle en ligne lors de tâche de pointage manuel

Lors d’une tâche de pointage manuel, la présence de corrections rapides, adaptées, automatiques et même réflexes (Franklin et Wolpert, 2008) suite à une perturbation par saut de curseur a pu être observée dans de nombreuses études. Ici, nous avons souhaité déterminer si ces corrections étaient purement réflexes où si elles étaient amorcées seulement lorsque la perturbation mettait en péril l’atteinte de la cible ; ces corrections ont-elles aussi un aspect fonctionnel ? Dans une première expérience nous avons fait varier la taille des cibles (5 ou 30 mm de diamètre) et des sauts du curseur (5, 15 ou 25 mm) de manière à obtenir certaines combinaisons où la cible pourrait être atteinte sans qu’aucune correction du mouvement pour contrecarrer l’effet du saut du curseur ne soit nécessaire. Des corrections réduisant l’erreur d’environ 65% ont été observées dans toutes les conditions. Dans une seconde expérience, les participants devaient atteindre une très grande cible (arc de 30°) et un saut de curseur de 15 mm était introduit pour certains essais peu de temps après l’amorce du mouvement. Les participants ont modifié leur mouvement dans le sens opposé à celui de la perturbation, et cela même s’ils n’avaient pas détecté consciemment le saut. Cependant, ces corrections étaient moins rapides et plus petites (42% de l’amplitude du saut de curseur) que celles observées lors de la première expérience. Nos résultats supportent le fait que l’amorce des corrections pour des erreurs de trajectoire induites expérimentalement soit de nature réflexe. Un deuxième processus serait alors responsable du déroulement de ces corrections ; ce deuxième processus est basé, entre autres, sur les caractéristiques de la cible.

Encodage des forces tactiles dans le cortex somatosensoriel primaire

Les deux fonctions principales de la main sont la manipulation d’objet et l’exploration tactile. La détection du glissement, rapportée par les mécanorécepteurs de la peau glabre, est essentielle pour l’exécution de ces deux fonctions. Durant la manipulation d’objet, la détection rapide du micro-glissement (incipient slip) amène la main à augmenter la force de pince pour éviter que l’objet ne tombe. À l’opposé, le glissement est un aspect essentiel à l’exploration tactile puisqu’il favorise une plus grande acuité tactile. Pour ces deux actions, les forces normale et tangentielle exercées sur la peau permettent de décrire le glissement mais également ce qui arrive juste avant qu’il y ait glissement. Toutefois, on ignore comment ces forces contrôlées par le sujet pourraient être encodées au niveau cortical. C’est pourquoi nous avons enregistré l’activité unitaire des neurones du cortex somatosensoriel primaire (S1) durant l’exécution de deux tâches haptiques chez les primates. Dans la première tâche, deux singes devaient saisir une pastille de métal fixe et y exercer des forces de cisaillement sans glissement dans une de quatre directions orthogonales. Des 144 neurones enregistrés, 111 (77%) étaient modulés à la direction de la force de cisaillement. L’ensemble de ces vecteurs préférés s’étendait dans toutes les directions avec un arc variant de 50° à 170°. Plus de 21 de ces neurones (19%) étaient également modulés à l’intensité de la force de cisaillement. Bien que 66 neurones (59%) montraient clairement une réponse à adaptation lente et 45 autres (41%) une réponse à adaptation rapide, cette classification ne semblait pas expliquer la modulation à l’intensité et à la direction de la force de cisaillement. Ces résultats montrent que les neurones de S1 encodent simultanément la direction et l’intensité des forces même en l’absence de glissement. Dans la seconde tâche, deux singes ont parcouru différentes surfaces avec le bout des doigts à la recherche d’une cible tactile, sans feedback visuel. Durant l’exploration, les singes, comme les humains, contrôlaient les forces et la vitesse de leurs doigts dans une plage de valeurs réduite. Les surfaces à haut coefficient de friction offraient une plus grande résistance tangentielle à la peau et amenaient les singes à alléger la force de contact, normale à la peau. Par conséquent, la somme scalaire des composantes normale et tangentielle demeurait constante entre les surfaces. Ces observations démontrent que les singes contrôlent les forces normale et tangentielle qu’ils appliquent durant l’exploration tactile. Celles-ci sont également ajustées selon les propriétés de surfaces telles que la texture et la friction. Des 230 neurones enregistrés durant la tâche d’exploration tactile, 96 (42%) ont montré une fréquence de décharge instantanée reliée aux forces exercées par les doigts sur la surface. De ces neurones, 52 (54%) étaient modulés avec la force normale ou la force tangentielle bien que l’autre composante orthogonale avait peu ou pas d’influence sur la fréquence de décharge. Une autre sous-population de 44 (46%) neurones répondait au ratio entre la force normale et la force tangentielle indépendamment de l’intensité. Plus précisément, 29 (30%) neurones augmentaient et 15 (16%) autres diminuaient leur fréquence de décharge en relation avec ce ratio. Par ailleurs, environ la moitié de tous les neurones (112) étaient significativement modulés à la direction de la force tangentielle. De ces neurones, 59 (53%) répondaient à la fois à la direction et à l’intensité des forces. L’exploration de trois ou quatre différentes surfaces a permis d’évaluer l’impact du coefficient de friction sur la modulation de 102 neurones de S1. En fait, 17 (17%) neurones ont montré une augmentation de leur fréquence de décharge avec l’augmentation du coefficient de friction alors que 8 (8%) autres ont montré le comportement inverse. Par contre, 37 (36%) neurones présentaient une décharge maximale sur une surface en particulier, sans relation linéaire avec le coefficient de friction des surfaces. La classification d’adaptation rapide ou lente des neurones de S1 n’a pu être mise en relation avec la modulation aux forces et à la friction. Ces résultats montrent que la fréquence de décharge des neurones de S1 encode l’intensité des forces normale et tangentielle, le ratio entre les deux composantes et la direction du mouvement. Ces résultats montrent que le comportement d’une importante sous-population des neurones de S1 est déterminé par les forces normale et tangentielle sur la peau. La modulation aux forces présentée ici fait le pont entre les travaux évaluant les propriétés de surfaces telles que la rugosité et les études touchant à la manipulation d’objets. Ce système de référence s’applique en présence ou en absence de glissement entre la peau et la surface. Nos résultats quant à la modulation des neurones à adaptation rapide ou lente nous amènent à suggérer que cette classification découle de la manière que la peau est stimulée. Nous discuterons aussi de la possibilité que l’activité des neurones de S1 puisse inclure une composante motrice durant ces tâches sensorimotrices. Finalement, un nouveau cadre de référence tridimensionnel sera proposé pour décrire et rassembler, dans un même continuum, les différentes modulations aux forces normale et tangentielle observées dans S1 durant l’exploration tactile.

Étude du traitement visuel simple et complexe chez les enfants autistes

Les personnes ayant un trouble du spectre autistique (TSA) manifestent des particularités perceptives. En vision, des travaux influents chez les adultes ont mené à l’élaboration d’un modèle explicatif du fonctionnement perceptif autistique qui suggère que l’efficacité du traitement visuel varie en fonction de la complexité des réseaux neuronaux impliqués (Hypothèse spécifique à la complexité). Ainsi, lorsque plusieurs aires corticales sont recrutées pour traiter un stimulus complexe (e.g., modulations de texture; attributs de deuxième ordre), les adultes autistes démontrent une sensibilité diminuée. À l’inverse, lorsque le traitement repose principalement sur le cortex visuel primaire V1 (e.g., modulations locales de luminance; attributs de premier ordre), leur sensibilité est augmentée (matériel statique) ou intacte (matériel dynamique). Cette dissociation de performance est spécifique aux TSA et peut s’expliquer, entre autre, par une connectivité atypique au sein de leur cortex visuel. Les mécanismes neuronaux précis demeurent néanmoins méconnus. De plus, on ignore si cette signature perceptuelle est présente à l’enfance, information cruciale pour les théories perceptives de l’autisme. Le premier volet de cette thèse cherche à vérifier, à l’aide de la psychophysique et l’électrophysiologie, si la double dissociation de performance entre les attributs statiques de premier et deuxième ordre se retrouve également chez les enfants autistes d’âge scolaire. Le second volet vise à évaluer chez les enfants autistes l’intégrité des connexions visuelles descendantes impliquées dans le traitement des textures. À cet effet, une composante électrophysiologique reflétant principalement des processus de rétroaction corticale a été obtenue lors d’une tâche de ségrégation des textures. Les résultats comportementaux obtenus à l’étude 1 révèlent des seuils sensoriels similaires entre les enfants typiques et autistes à l’égard des stimuli définis par des variations de luminance et de texture. Quant aux données électrophysiologiques, il n’y a pas de différence de groupe en ce qui concerne le traitement cérébral associé aux stimuli définis par des variations de luminance. Cependant, contrairement aux enfants typiques, les enfants autistes ne démontrent pas une augmentation systématique d’activité cérébrale en réponse aux stimuli définis par des variations de texture pendant les fenêtres temporelles préférentiellement associées au traitement de deuxième ordre. Ces différences d’activation émergent après 200 ms et engagent les aires visuelles extrastriées des régions occipito-temporales et pariétales. Concernant la connectivité cérébrale, l’étude 2 indique que les connexions visuelles descendantes sont fortement asymétriques chez les enfants autistes, en défaveur de la région occipito-temporale droite. Ceci diffère des enfants typiques pour qui le signal électrophysiologique reflétant l’intégration visuo-corticale est similaire entre l’hémisphère gauche et droit du cerveau. En somme, en accord avec l’hypothèse spécifique à la complexité, la représentation corticale du traitement de deuxième ordre (texture) est atypiquement diminuée chez les enfants autistes, et un des mécanismes cérébraux impliqués est une altération des processus de rétroaction visuelle entre les aires visuelles de haut et bas niveau. En revanche, contrairement aux résultats obtenus chez les adultes, il n’y a aucun indice qui laisse suggérer la présence de mécanismes supérieurs pour le traitement de premier ordre (luminance) chez les enfants autistes.

Robust model predictive controller with output feedback and target tracking

A model predictive controller (MPC) is proposed, which is robustly stable for some classes of model uncertainty and to unknown disturbances. It is considered as the case of open-loop stable systems, where only the inputs and controlled outputs are measured. It is assumed that the controller will work in a scenario where target tracking is also required. Here, it is extended to the nominal infinite horizon MPC with output feedback. The method considers an extended cost function that can be made globally convergent for any finite input horizon considered for the uncertain system. The method is based on the explicit inclusion of cost contracting constraints in the control problem. The controller considers the output feedback case through a non-minimal state-space model that is built using past output measurements and past input increments. The application of the robust output feedback MPC is illustrated through the simulation of a low-order multivariable system.

Infinite horizon MPC with non-minimal state space feedback

In the MPC literature, stability is usually assured under the assumption that the state is measured. Since the closed-loop system may be nonlinear because of the constraints, it is not possible to apply the separation principle to prove global stability for the Output feedback case. It is well known that, a nonlinear closed-loop system with the state estimated via an exponentially converging observer combined with a state feedback controller can be unstable even when the controller is stable. One alternative to overcome the state estimation problem is to adopt a non-minimal state space model, in which the states are represented by measured past inputs and outputs [P.C. Young, M.A. Behzadi, C.L. Wang, A. Chotai, Direct digital and adaptative control by input-output, state variable feedback pole assignment, International journal of Control 46 (1987) 1867-1881; C. Wang, P.C. Young, Direct digital control by input-output, state variable feedback: theoretical background, International journal of Control 47 (1988) 97-109]. In this case, no observer is needed since the state variables can be directly measured. However, an important disadvantage of this approach is that the realigned model is not of minimal order, which makes the infinite horizon approach to obtain nominal stability difficult to apply. Here, we propose a method to properly formulate an infinite horizon MPC based on the output-realigned model, which avoids the use of an observer and guarantees the closed loop stability. The simulation results show that, besides providing closed-loop stability for systems with integrating and stable modes, the proposed controller may have a better performance than those MPC controllers that make use of an observer to estimate the current states. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A Class of Channels Resulting in Ill-Convergence for CMA in Decision Feedback Equalizers

This paper analyzes the convergence of the constant modulus algorithm (CMA) in a decision feedback equalizer using only a feedback filter. Several works had already observed that the CMA presented a better performance than decision directed algorithm in the adaptation of the decision feedback equalizer, but theoretical analysis always showed to be difficult specially due to the analytical difficulties presented by the constant modulus criterion. In this paper, we surmount such obstacle by using a recent result concerning the CM analysis, first obtained in a linear finite impulse response context with the objective of comparing its solutions to the ones obtained through the Wiener criterion. The theoretical analysis presented here confirms the robustness of the CMA when applied to the adaptation of the decision feedback equalizer and also defines a class of channels for which the algorithm will suffer from ill-convergence when initialized at the origin.

Galerkin Method and Weighting Functions Applied to Nonlinear H(infinity) Control with Output Feedback

This paper considers two aspects of the nonlinear H(infinity) control problem: the use of weighting functions for performance and robustness improvement, as in the linear case, and the development of a successive Galerkin approximation method for the solution of the Hamilton-Jacobi-Isaacs equation that arises in the output-feedback case. Design of nonlinear H(infinity) controllers obtained by the well-established Taylor approximation and by the proposed Galerkin approximation method applied to a magnetic levitation system are presented for comparison purposes.

On the convergence of successive Galerkin approximation for nonlinear output feedback H(infinity) control

Although the formulation of the nonlinear theory of H(infinity) control has been well developed, solving the Hamilton-Jacobi-Isaacs equation remains a challenge and is the major bottleneck for practical application of the theory. Several numerical methods have been proposed for its solution. In this paper, results on convergence and stability for a successive Galerkin approximation approach for nonlinear H(infinity) control via output feedback are presented. An example is presented illustrating the application of the algorithm.

Some remarks on static-feedback linearization for time-varying systems

This work summarizes some results about static state feedback linearization for time-varying systems. Three different necessary and sufficient conditions are stated in this paper. The first condition is the one by [Sluis, W. M. (1993). A necessary condition for dynamic feedback linearization. Systems & Control Letters, 21, 277-283]. The second and the third are the generalizations of known results due respectively to [Aranda-Bricaire, E., Moog, C. H., Pomet, J. B. (1995). A linear algebraic framework for dynamic feedback linearization. IEEE Transactions on Automatic Control, 40, 127-132] and to [Jakubczyk, B., Respondek, W. (1980). On linearization of control systems. Bulletin del` Academie Polonaise des Sciences. Serie des Sciences Mathematiques, 28, 517-522]. The proofs of the second and third conditions are established by showing the equivalence between these three conditions. The results are re-stated in the infinite dimensional geometric approach of [Fliess, M., Levine J., Martin, P., Rouchon, P. (1999). A Lie-Backlund approach to equivalence and flatness of nonlinear systems. IEEE Transactions on Automatic Control, 44(5), 922-937]. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

An unexpected role for visual feedback in vehicle steering control

Some motor tasks can be completed, quite literally, with our eyes shut. Most people can touch their nose without looking or reach for an object after only a brief glance at its location. This distinction leads to one of the defining questions of movement control: is information gleaned prior to starting the movement sufficient to complete the task (open loop), or is feedback about the progress of the movement required (closed loop)? One task that has commanded considerable interest in the literature over the years is that of steering a vehicle, in particular lane-correction and lane-changing tasks. Recent work has suggested that this type of task can proceed in a fundamentally open loop manner [1 and 2], with feedback mainly serving to correct minor, accumulating errors. This paper reevaluates the conclusions of these studies by conducting a new set of experiments in a driving simulator. We demonstrate that, in fact, drivers rely on regular visual feedback, even during the well-practiced steering task of lane changing. Without feedback, drivers fail to initiate the return phase of the maneuver, resulting in systematic errors in final heading. The results provide new insight into the control of vehicle heading, suggesting that drivers employ a simple policy of “turn and see,” with only limited understanding of the relationship between steering angle and vehicle heading.

Experimental control of single-mode laser chaos by using continuous, time-delayed feedback

Control of chaos in the single-mode optically pumped far-infrared (NH3)-N-15 laser is experimentally demonstrated using continuous time-delay control. Both the Lorenz spiral chaos and the detuned period-doubling chaos exhibited by the laser have been controlled. While the laser is in the Lorenz spiral chaos regime the chaos has been controlled both such that the laser output is cw, with corrections of only a fraction of a percent necessary to keep it there, and to period one. The laser has also been controlled while in the period-doubling chaos regime, to both the period-one and -two states.

Frequency stabilised grating feedback laser diode for atom cooling applications

The free running linewidth of an external cavity grating feedback diode laser is on the order of a few megahertz and is limited by the mechanical and acoustic vibrations of the external cavity. Such frequency fluctuations can be removed by electronic feedback. We present a hybrid stabilisation technique that uses both a Fabry-Perot confocal cavity and an atomic resonance to achieve excellent short and long term frequency stability. The system has been shown to reduce the laser linewidth of an external cavity diode laser by an order of magnitude to 140 kHz, while limiting frequency excursions to 60 kHz relative to an absolute reference over periods of several hours. The scheme also presents a simple way to frequency offset two lasers many gigahertz apart which should find a use in atom cooling experiments, where hyperfine ground-state frequency separations are often required.

Controlling chaos in a Lorenz-like system using feedback

We demonstrate that the dynamics of an autonomous chaotic laser can be controlled to a periodic or steady state under self-synchronization. In general, past the chaos threshold the dependence of the laser output on feedback applied to the pump is submerged in the Lorenz-like chaotic pulsation. However there exist specific feedback delays that stabilize the chaos to periodic behavior or even steady state. The range of control depends critically on the feedback delay time and amplitude. Our experimental results are compared with the complex Lorenz equations which show good agreement.

Controlling the decoherence of a ''meter'' via stroboscopic feedback

We propose a simple modification of the experimental scheme employed by Brune rt ni. [Phys. Rev. Lett. 79, 4887 (1996)] for the generation and detection of a Schrodinger cat state, in which the decoherence of the cat state can be significantly slowed down using an appropriate feedback.

Protecting Schrodinger cat states using feedback

A feedback model based on direct photodetection and micromaser-like atomic injection is proposed for the preservation of quantum coherence in a cavity. We show that in this way it is possible to slow down significantly the decoherence of Schrodinger cat states.