Dissertationen zum Thema „Capteurs de force – Modèles mathématiques“

Commande d'une structure mécanique à six degrés de liberté. Cas d'un manipulateur parallèle à six actionneurs pneumatiques. Cas d'un manipulateur classique avec un capteur d'effort à six composantes. Application à l'insertion automatique d'un roulement à billes.

Les systèmes neuromusculaires et musculo-squelettique sont considérés comme un système de systèmes complexe. En effet, le mouvement du corps humain est contrôlé par le système nerveux central par l'activation des cellules musculaires squelettiques. L'activation du muscle produit deux phénomènes différents : mécanique et électrique. Ces deux activités possèdent des propriétés différentes, mais l'activité mécanique ne peut avoir lieu sans l'activité électrique et réciproquement. L'activité mécanique de la contraction du muscle squelettique est responsable du mouvement. Le mouvement étant primordial pour la vie humaine, il est crucial de comprendre son fonctionnement et sa génération qui pourront aider à détecter des déficiences dans les systèmes neuromusculaire et musculo-squelettique. Ce mouvement est décrit par les forces musculaires et les moments agissant sur une articulation particulière. En conséquence, les systèmes neuromusculaires et musculo-squelettique peuvent être évalués avec le diagnostic et le management des maladies neurologiques et orthopédiques à travers l'estimation de la force. Néanmoins, la force produite par un seul muscle ne peut être mesurée que par une technique très invasive. C'est pour cela, que l'estimation de cette force reste l'un des grands challenges de la biomécanique. De plus, comme dit précédemment, l'activation musculaire possède aussi une réponse électrique qui est corrélée à la réponse mécanique. Cette résultante électrique est appelée l'électromyogramme (EMG) et peut être mesurée d'une façon non invasive à l'aide d'électrodes de surface. L'EMG est la somme des trains de potentiel d'action d'unité motrice qui sont responsable de la contraction musculaire et de la génération du mouvement. Ce signal électrique peut être mesuré par des électrodes à la surface de la peau et est appelé I'EMG de surface {sEMG). Pour un muscle unique, en supposant que la relation entre l'amplitude du sEMG et la force est monotone, plusieurs études ont essayé d'estimer cette force en développant des modèles actionnés par ce signal. Toutefois, ces modèles contiennent plusieurs limites à cause des hypothèses irréalistes par rapport à l'activation neurale. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau modèle de relation sEMG/force en intégrant ce qu'on appelle le sEMG haute définition (HD-sEMG), qui est une nouvelle technique d'enregistrement des signaux sEMG ayant démontré une meilleure estimation de la force en surmontant le problème de la position de l'électrode sur le muscle. Ce modèle de relation sEMG/force sera développé dans un contexte sans fatigue pour des contractions isométriques, isotoniques et anisotoniques du Biceps Brachii (BB) lors une flexion isométrique de l'articulation du coude à 90°
The neuromuscular and musculoskeletal systems are complex System of Systems (SoS) that perfectly interact to provide motion. This interaction is illustrated by the muscular force, generated by muscle activation driven by the Central Nervous System (CNS) which pilots joint motion. The knowledge of the force level is highly important in biomechanical and clinical applications. However, the recording of the force produced by a unique muscle is impossible using noninvasive procedures. Therefore, it is necessary to develop a way to estimate it. The muscle activation also generates another electric phenomenon, measured at the skin using electrodes, namely the surface electromyogram (sEMG). ln the biomechanics literature, several models of the sEMG/force relationship are provided. They are principally used to command musculoskeletal models. However, these models suffer from several important limitations such lacks of physiological realism, personalization, and representability when using single sEMG channel input. ln this work, we propose to construct a model of the sEMG/force relationship for the Biceps Brachii (BB) based on the data analysis of a High Density sEMG (HD-sEMG) sensor network. For this purpose, we first have to prepare the data for the processing stage by denoising the sEMG signals and removing the parasite signals. Therefore, we propose a HD-sEMG denoising procedure based on Canonical Correlation Analysis (CCA) that removes two types of noise that degrade the sEMG signals and a source separation method that combines CCA and image segmentation in order to separate the electrical activities of the BB and the Brachialis (BR). Second, we have to extract the information from an 8 X 8 HD-sEMG electrode grid in order to form the input of the sEMG/force model Thusly, we investigated different parameters that describe muscle activation and can affect the relationship shape then we applied data fusion through an image segmentation algorithm. Finally, we proposed a new HDsEMG/force relationship, using simulated data from a realistic HD-sEMG generation model of the BB and a Twitch based model to estimate a specific force profile corresponding to a specific sEMG sensor network and muscle configuration. Then, we tested this new relationship in force estimation using both machine learning and analytical approaches. This study is motivated by the impossibility of obtaining the intrinsic force from one muscle in experimentation

Cette thèse traite de la conception d'un nouveau dispositif qui reflète le plus fidèlement possible les conditions de fonctionnement d'une machine électrique pour une détermination plus fiable des pertes fer dans les tôles magnétiques constituant cette machine. Ce travail est essentiellment limité à des sollicitations trapézoïdales. Une première partie consiste à développer les principaux dispositifs de mesures des pertes fer et de modéliser à partir des essais de mesures effectués avec un dispositif normalisé, les pertes fer pour deux types de tôles magnétiques. L'analyse des résultats obtenus par simulations numériques, montre que les phénomènes sont complexes et il n'est plus possible de se contenter des dispositifs qui se basent sur des modèles simplifiés. De ce fait, l'auteur propose et étudie un dispositif de mesures des pertes fer destiné pour les tôles utilisées dans les machines linéaires. Il montre aussi qu'avec ce dispositif il est possible de déterminer les pertes fer dans des échantillons de tôles magnétiques encochées. Dans la même optique, il propose un dispositif pour caractériser les tôles magnétiques utilisées dans les machines tournantes. Après étude et conception de ces capteurs et en exploitant ce dispositif, une série de simulations numériques montre la complexité du champ d'induction qui règne dans le matériau magnétique constituant la machine et en particuliers dans les dents. Enfin, le mémoire de thèse se termine par une proposition des perspectives pou l'exploitation du dispositif rotatif déjà conçu.

La premiere partie concerne la mise au point de biocapteurs amperometriques specifiques de l'ethanol, du l-malate, du d-lactate, du pyruvate et de la l-alanine et leur adaptation a des milieux biologiques. Ils sont tous bases sur le meme principe et sont compatibles avec un appareillage commercialise. Ces outils analytiques sont fiables, peu onereux et permettent des dosages precis (erreur de 2%) et rapides (2 minutes). Les capteurs specifiques de l'ethanol, du l-malate et du d-lactate ont ete implantes pendant une campagne de vinification dans le chai d'un viticulteur et a la chambre d'agriculture du tarn et garonne et ont permis la realisation de 80 dosages journaliers de chaque substrat. Les deux derniers biocapteurs proposes pour l'analyse clinique ne necessitent pas de traitement du sang dose, contrairement aux dosages en cours actuellement. La deuxieme partie de l'etude porte sur l'analyse globale d'un milieu de fermentation au moyen de la mesure du potentiel a courant nul pris par une electrode de platine par rapport a une electrode de reference. La valeur du potentiel est bien definie dans chaque phase d'une fermentation et renseigne sur la presence d'oxygene dissous dans le milieu fermentaire ou sur la mise en uvre d'une activite cellulaire, comme par exemple le debut et de la fin de la fermentation malolactique dans le cas de l'elaboration d'un vin. La proposition d'un fermenteur de type filtre-presse fait l'objet de la troisieme partie, dans le but de moduler l'activite du microorganisme en regulant le potentiel du milieu par application d'un champ electrique. Mais la modification du potentiel s'est averee impossible, meme en presence d'un mediateur d'oxydoreduction

Cette thèse annonce la synthèse du cyclo(bis-paraquat p-phenylène p-phenylène-carbonyle) tetrakis(hexapluorophosphate) (« CETEBOX »). Celui-ci existe dans trois formes tautomères prouvées par spectres RMN, titration potentiométrique et synthèse. Dans une réaction de cycloaddition de type [3+2], par l’intermède de son cycloimmonium ylure, ce composé fournit un senseur fluorescent à base de cyclophanes. Ce senseur montre des propriétés d’inclusion envers les Composés Organiques Volatils. Par une réaction de couplage entre le senseur indolizinique fluorescent et la 6-deoxy-6-amine-β-cyclodextrine on synthétise un nouveau senseur fluorescent incorporant les deux cavités (β-cyclodextrine et cyclophane). Toutes les nouvelles structures annoncées dans cette thèse ont été établies par IR, RMN (1H-RMN, 13C-RMN, TOCSY, COSY, NOESY, HMQC). Selon les méthodes de la modélisation moléculaire (MM3, AM1, AM1-COSMO, B88LYPDFT), les conformères les plus stables trouvés sont en accord avec les expérimentés. En utilisant un sel à base de bis(paraquat) on a synthétisé un nouveau complexe de Palladium, ayant des multiples cavités. Les propriétés électriques des cyclopyridinophanes nouveaux synthétisés ont été établies par mesure de la conductivité électrique à des températures et fréquences différentes. Deux de ces composés montrent des propriétés intéressantes concernant la conversion de l’énergie lumineuse en énergie thermique
This thesis reports the synthesis of cyclo(bis-paraquat p-phenylene p-phenylene-carbonyle) tetrakis(hexapluorophosphate) (« CETEBOX »). This one exists in three tautomeric structures proved by NMR spectra, potentiometric titration and synthesis. Through its cycloimmonium ylide, in a [3+2] cycloaddition reaction, this compound furnishes a fluorescent cyclophane sensor. This sensor shows inclusion properties towards Volatile Organic Compounds. By a coupling reaction between the fluorescent indolizine sensor and 6-deoxy-6-amine-β-cyclodextrin a new dual cavity (β-cyclodextrine et cyclophane) fluorescent sensor is synthetized. All new structures reported in this thesis have been established by IR, RMN (1H-RMN, 13C-RMN, TOCSY, COSY, NOESY, HMQC). According to the molecular modeling methods (MM3, AM1, AM1-COSMO, B88LYPDFT), the found most stable conformers are in good agreement with the experiments. Using a bis(paraquat) salt a new Palladium multicavities complex has been synthetized. The electrical properties of the newly synthetized cyclopyridinophanes have been established by measurements of the electrical conductivity at different temperatures and frequencies. Two of them show very interesting properties concerning conversion of light energy into thermal energy

Cette thèse étudie les forces potentielles des mécanismes parallèles plans à deux degrés de liberté équipés d'embrayages de sécurité (limiteur de couple). Les forces potentielles sont étudiées sur la base des matrices jacobienne. La force maximale qui peut être appliquée à l'effecteur en fonction des limiteurs de couple ainsi que la force maximale isotrope sont déterminées. Le rapport entre ces deux forces est appelé l'efficacité de la force et peut être considéré ; comme un indice de performance. Enfin, les résultats numériques proposés donnent un aperçu sur la conception de robots coopératifs reposant sur des architectures parallèles. En isolant chaque lien, les modèles dynamiques approximatifs sont obtenus à partir de l'approche Newton-Euler et des équations de Lagrange pour du tripteron et du quadrupteron. La plage de l'accélération de l'effecteur et de la force externe autorisée peut être trouvée pour une plage donnée de forces d'actionnement.
This thesis investigates the force capabilities of two-degree-of-freedom planar parallel mechanisms that are equipped with safety clutches (torque limiters). The force capabilities are studied based on the Jacobian matrices. The maximum force that can be applied at the end-effector for given torque limits (safety index) is determined together with the maximum isotropic force that can be produced. The ratio between these two forces, referred to as the force effectiveness, can be considered as a performance index. Finally, some numerical results are proposed which can provide insight into the design of cooperation robots based on parallel architectures. Considering each link and slider system as a single body, approximate dynamic models are derived based on the Newton-Euler approach and Lagrange equations for the tripteron and the quadrupteron. The acceleration range or the external force range of the end-effector are determined and given as a safety consideration with the dynamic models.

Cette these traite de l'acquisition de cartes de profondeur a l'aide de capteurs visuels permettant a un robot mobile de planifier localement son itineraire. La demarche adoptee consiste a s'inspirer des modeles de perception etudies chez l'animal pour elaborer des processus artificiels de reconstruction tridimensionnelle. Deux principes ont retenu notre attention : la parallaxe de mouvement, mise en evidence chez la mouche, et l'accommodation, etudiee chez le cameleon. La parallaxe de mouvement est basee sur l'information de profondeur contenue dans la vitesse dans l'image retinienne, tandis que le principe d'accommodation est base sur la mise au point de l'image. Nous proposons une modelisation mathematique de ces principes et une etude en simulation, dont les conclusions nous ont amenes a l'elaboration d'un prototype experimental. Enfin, nous proposons un processus de fusion d'information, entre les deux principes de reconstruction 3d, elabore dans le but de reduire l'erreur sur l'estimation de la profondeur.

L'identification des caractéristiques mécaniques des canaux semi-circulaires (CSC) de l'oreille interne chez l'Homme intéresse autant les cliniciens, dans le cadre des troubles de l'équilibre, que les mécaniciens des fluides. L'identification directe des caractéristiques mécaniques des CSC horizontaux est rendue impossible par la présence d'un système dit "de stockage de vitesse" dans le réflexe vestibulo-oculaire (RVO) qui leur est lié. Il est communément admis qu'un tel système est absent du RVO des CSC verticaux. L'originalité de notre étude réside en un mode opératoire qui permet d'exciter les CSC verticaux de façon directe par une disposition de la tête de manière à placer une paire verticale dans le plan de stimulation. Nous avons appliqué aux enregistrements des mouvements oculaires, obtenus par vidéo-nystagmographie, une méthode novatrice d'identification paramétrique dans le domaine temporel. La convergence est atteinte par l'obtention de la stabilité selon Liapounoff de l'ensemble constitué du système physique et du modèle à paramètres variables. Ceci est garanti par un critère basé sur la différence d'une unique variable d'état entre le système et le modèle. Ce critère permet la séparation des différences paramétriques et des différences des variables d'état dans l'expression d'une fonction de Liapounoff appropriée. Nous nous affranchissons ainsi du lemme MKY %\newline. Les valeurs de paramètre obtenues par cette méthode ont été comparées à celles issues de l'ajustement d'un modèle fréquentiel sur la fonction de transfert numérique. La concordance des identifications par les deux approches constitue une bonne validation de notre méthode sur des signaux réels fortement bruités. Les constantes de temps identifiées tendent à prouver l'existence d'un système de stockage de vitesse sur les CSC verticaux. Ceci ferme la porte à un accès direct in vivo aux caractéristiques mécaniques des CSC par un test fonctionnel de type balayage spectral
The identification of the mechanical characteristics of semicircular canals (SCC) of the inner ear of Man interests clinicians, in the case of balance disorders, as much as fluid mechanics. Identifying directly these characteristics for horizontal SCC is made impossible due to the presence of a "velocity storage" mechanism in the vestibulo-ocular reflex linked to them. Studies based on visual testing seem to prove that such a mechanism does not exist for vertical SCC. The originality of the present study consists in a procedure which excites the vertical canals. The head of the subject is tilted in such a way that one pair of vertical canals is in the stimulation plane of a rotating chair around the vertical axis. Eye movements were recorded via video-nystagmography. We have applied a new method of parametric identification in time domain. Convergence is reached when the set composed of the physical system and the parameterized model is stable according to Liapunov theory. This is guaranteed by a criterion based on the difference of one state value between them. This criterion separates parameter differences and state variable differences in an appropriate Liapunov function. This is done without the MKY lemma. A great part of the thesis job was to develop this method. The identification results have been compared with those of a minimum square fit of a model on the numerical transfer function. Concordant results prove the validity of our method on noisy recordings. Identified time constant values trend to demonstrate that there is,indeed, a "velocity storage" mechanism for vertical SCC. This mechanism hinders estimates of their mechanical parameters, from input/ouput recordings, with a frequency scanning method

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la résolution exacte de problèmes de dimensionnement de réseaux RCSF, rencontrés pendant la phase de planification. Tout d’abord nous nous intéressons au problème de déploiement. Il s’agit de positionner les capteurs dans un plan euclidien afin de minimiser le coût des opérations de communication pour transmettre les données vers le Station de Base. Le deuxième problème, le problème de configuration de réseau, s’intéresse à l’organisation des capteurs dans des zones/clusters. L’objectif ici est de déterminer le nombre optimal de zones et leurs portées respectives afin de minimiser la consommation en énergie de chaque capteur. Les méthodes proposées sont basées sur des algorithmes de programmation dynamique qui garantissent des solutions optimales et sont à faible complexité si on les compare aux approches de littérature. Le dernier problème étudié concerne l’affectation de puissances aux capteurs et d’ordonnancement des transmissions. Ici l’objectif est de garantir les transmissions concurrentes entre les nœuds tout en minimisant le temps de transmission des données. Au cœur de notre approche est la stratégie d’affectation de puissances de transmissions qui tente de maximiser la valeur minimale de SINR estimée chez les récepteurs. Le problème est modélisé et résolu en utilisant un algorithme itératif basé sur la programmation linéaire
In this thesis, we focused on the development of optimal methods regarding WSN dimensioning problems, mostly encountered during the planning phase. These were instantiated basically into three combinatorial optimization problems. The network deployment scheme which seeks to place the sensors in a such way that the cost of communication operations is minimized. The network configuration problem that asks to find a strategy for dividing the network such that some criteria are satisfied. In the problem’s model we took into account the data aggregation constraint and the discrete values of power transmission. For both problems we proposed a resolution method, based on dynamic programming, which permitted us to solve them optimally. Finally, the joint problem of scheduling and power assignment, consisted in finding a feasible scheduling under SINR constraints and a power assignment scheme to guarantee successful concurrent transmissions. As the problem is shown to be NP-hard we propose a greedy heuristic. The resolution method for the power assignment strategy, an iterative algorithm based on linear programming, provides optimal solutions

Un des moyens d'optimisation de la sensibilité des capteurs a courants de Foucault consiste a minimiser les pertes de leur circuit magnétique. Cependant l'utilisation d'un capteur de ce type en milieu industriel peut imposer simultanément à son circuit magnétique des caractéristiques mécaniques particulières. Monsieur Jacques Reghem présente l'étude d'un capteur de détection de la position d'une tôle destine à être inclus dans un dispositif de pilotage d'une presse d'emboutissage, ceci nécessitant des caractéristiques mécaniques spécifiques. L'optimisation de la sensibilité du capteur permet l'amélioration des performances de l'ensemble incluant également l'électronique de conditionnement, dont les dérives propres prennent alors moins d'importance. Cependant, les caractéristiques magnétiques nécessaires se révèlent a priori incompatibles avec les impératifs mécaniques. Il a mis au point un premier prototype remplissant les conditions mécaniques mais présentant une sensibilité réduite. Il a alors étudié théoriquement l'influence des paramètres électriques et magnétiques du capteur sur sa sensibilité. Il a mené l'étude théorique avec deux moyens complémentaires: 1) une étude analytique incluant des approximations, mais conduisant à une idée simple des phénomènes physiques. Les approximations nécessaires à une interprétation facile des résultats l'ont amené à séparer les effets de la géométrie du circuit magnétique et ceux des courants de Foucault; 2) une étude plus précise à l'aide d'un logiciel de calcul des champs permettant de considérer des circuits magnétiques plus complexes. La complémentarité de ces deux moyens d'étude l'ont conduit à une solution optimale. Ce travail a été couplé avec des expérimentations menées sur un site industriel de la Régie Renault

Le travail présente est relatif à la modélisation et l'optimisation de capteurs à effet Peltier. Les circuits, de structure planaire, sont constitués par un grand nombre de thermocouples plaques connectés en série. Le principe de mesure consiste à induire entre chaque couple de jonctions thermoélectriques consécutives des différences de température proportionnelles au courant inducteur qui influence, par le milieu fluide environnant, le capteur. L'étude est limitée à l'identification de la nature d'un fluide à partir de sa conductivité thermique et à la mesure des vitesses de fluide et du débit massique. La f. E. M seebeck apparaissant aux bornes de chaque cellule élémentaire ou un gradient de température dépendant des propriétés thermiques du milieu fluide environnant a été créé par effet Peltier, se superpose à la chaîne ohmique traditionnelle. Si, lorsque le régime permanent est établi, on coupe le circuit d'alimentation, on mesure la d. D. P seebeck fonction de l'environnement, de telle sorte que la chute ohmique disparaisse. Pour optimiser la sensibilité de ce nouveau capteur à effet Peltier, nous avons eu recours, compte tenu de la complexité du modèle mathématique, à des techniques numériques. Nous avons effectué les calculs par une méthode d'éléments finis, en imposant les conditions limites appropriées afin d'obtenir les résultats voulus concernant des structures multicouches 3d. L'analyse du modèle à travers la solution numérique est ensuite proposée. Les résultats obtenus permettent d'évaluer la sensibilité des capteurs, de dégager le rôle et l'influence des différents paramètres et, par ailleurs, d'optimiser les dispositifs de mesure. Indépendamment des conditions de température et de pression, le capteur qui génère une force électromotrice dépendant de la vitesse de l'écoulement, permet de mesurer les débits de fluides circulant dans une canalisation

Le travail realise dans cette these entre dans le cadre des mathematiques appliquees a l'automatique theorique. De nombreux concepts d'analyse regionale ont ete introduits pour les systemes gouvernes par les equations aux derivees partielles. Diverses proprietes et caracterisations ont ete etablies, en particulier en relation avec la structure des capteurs et actionneurs. Des algorithmes pour la mise en uvre numerique ont ete developpes et illustres a travers de nombreux exemples

Ce travail porte sur la caractérisation et la modélisation de la réponse transitoire d'un capteur d'humidité capacitif dont la couche sensible est constituée d'un film polymère dérivé du benzocyclobutène (BCB). L'étude de la structure du capteur et des mécanismes physico-chimiques d'absorption de vapeurs dans les polymères a permis de construire des modèles analytiques physiques et comportementaux de la réponse du capteur, validés expérimentalement et par simulation numérique. Ces modèles ont été utilisés pour la simulation prédictive de la réponse du capteur dans un contexte médical : l'analyse du souffle humain. Ils ont permis d'élaborer des stratégies d'optimisation du temps de réponse. Ces modèles ont aussi été appliqués à la simulation prédictive de l'herméticité des micro-boîtiers d'encapsulation des MEMS
This work presents the characterization and modelling of the transient response of a capacitive humidity sensor. The sensitive layer of the sensor consists in a benzocyclobutene (BCB) polymer film. Analytical physical and behavioural models of the sensor were developed on the basis of the theory of sorption and diffusion of gases in polymers, and on the study of the capacitive structure of the sensor. These models were validated by experiments and numerical simulations. They allow the prediction of the transient response of the sensor when exposed to the specific humidity conditions of human breath for medical application. They also provide strategies to shorten the response time of the sensor. Finally, these models were used to predict moisture diffusion in BCB adhesive films for wafer-level MEMS packaging

Ce mémoire intitulé : "Fusion de capteurs ultrasonores : application à la reconstruction de l'environnement d'un robot mobile", comporte 5 chapitres. Lors des deux premiers chapitres, nous présentons le cadre général de notre travail : la robotique mobile en général et la perception en particulier. Nous y décrivons les principes de physique relatifs à la propagation des ondes dans l'air et nous envisageons les facteurs influençant cette dernière. Lors du troisième chapitre, nous abordons les problèmes de la fusion de données provenant de sources différentes. Nous proposons deux nouvelles méthodes de correction des erreurs de mesures. Ces méthodes tiennent compte de la valeur de l'angle d'incidence du faisceau ultrasonore vis à vis de l'obstacle. L'ensemble des informations est alors traité pour reconstituer une modélisation de l'environnement. Cette modélisation, développée dans le quatrième chapitre, est basée sur la reconstruction de segments à partir des points expérimentaux. Nous présentons un algorithme de reconstruction de l'environnement de type segmentation polygonale intégrant une de ces méthodes de correction. Les résultats obtenus lors des expérimentations sont présentés et discutés dans la dernière partie de ce mémoire.

La présente étude porte sur la modélisation d'un élément de conduite rectiligne avec prise en compte du couplage fluide-structure. Ceci conduit a une formulation d'une matrice de transfert adimensionnelle reliant deux vecteurs d'état à deux sections droites de la conduite. Cette formulation matricielle est utilisée pour la mise en oeuvre d'une technique d'intensimétrie à quatre capteurs permettant la détermination du vecteur d'état dans une section droite de la conduite avec une qualité améliorée par rapport aux techniques précédentes. Ces calculs sont fait avec un contrôle sur le conditionnement des matrices utilisées. Deux choix ont étaient fait pour les éléments du vecteur d'état ; l'un avec la pression, la vitesse d'écoulement, le déplacement axial et l'effort normal dans une section droite et l'autre avec la pression, la vitesse d'écoulement, le déplacement axial d'une section droite et les déformations axiales. Le dernier choix permet l'utilisation des mesures non intrusives pour déterminer les éléments du vecteur d'état dans une section droite de la conduite.

Ce présent rapport s'inscrit dans le cadre de l'étude de l'effet de la turbulence atmosphérique sur la propagation du son dans la basse atmosphère et de son influence (impact) sur la localisation de véhicules. Au cours d'expériences, les grandeurs météorologiques moyennes et fluctuantes de la basse atmosphère ont été relevées afin de mieux connaître l'état de stabilité et les taux de fluctuation thermique et cinématique de l'atmosphère. Pour cela, on a développé un capteur thermique capable de mesurer les variations relatives de température inférieure au dixième de degré et de fréquence inférieure à une centaine de Hertz. Ce capteur est constitué d'un thermocouple de type S développé à l'IGE de Belfort et associé à un amplificateur de gain 500000 développé à l'ISL. L'antenne de localisation est constituée de deux antennes linéaires imbriquées composées chacune de 8 microphones. L'ensemble des données météorologiques et acoustiques a été mesuré et enregistré in-situ. A partir de ces informations, une analyse des valeurs moyennes a permis de tracer les profils verticaux de vitesse du vent et de température avec la théorie de similitude de Monin-Obukhov. Sur trois différents cas de réfraction de l'onde, ces profils ont été utilisés dans un modèle de propagation basé sur la méthode des rayons pour calculer les trajets sonores et dans un code de calcul du niveau acoustique (PE) pour connaître les conditions de propagation de l'onde entre la source et l'antenne. Ensuite, les résultats de localisation ont été analysés conjointement avec les résultats des fluctuations thermiques et cinématiques de la basse atmosphère. Une relation étroite entre la précision des résultats de localisation et les valeurs propres de la matrice de corrélation des signaux acoustiques a pu être mise en évidence. La dégradation de ces valeurs propres est une conséquence directe du taux de fluctuation thermique et cinématique de la basse atmosphère
This report is part of the study of the effect of atmospheric turbulence on sound propagation in the low atmosphere and of its influence (impact) on the localization of vehicles. In the course of experiments, the average and fluctuating meteorological magnitudes of the low atmosphere have been measured in order to have a better knowledge of the stability state and of the rates of thermal and kinematics fluctuation of the atmosphere. To this end, a thermal collector has been developed, capable of measuring the relative variations of temperature inferior to the tenth of degree and with a frequency below a hundred Hertz. This collector is composed of a thermocouple of type S developed by the IGE of Belfort and associated to an amplifier with a gain of 500 000 developed at ISL. The localization antenna is made up of two overlapping linear antenna, each composed of 8 microphones. The whole acoustic and meteorological data have been measured and recorded in situ. From this information, an average value analysis has allowed to lay out the vertical speed profiles of the wind and temperature by means of the Monin-Obukhov theory of similarity. In three different cases of wave refraction, these profiles have been used for a model of propagation based on the method of rays in order to calculate the sound paths and for a calculation code of the acoustic level (PE) allowing to know the propagation conditions of the wave between the source and the antenna. Then, the localization results have been analysed together with thermal and cinematic fluctuations results of the low atmosphere. A narrow relationship between the precision of the localization results and eigenvalues of the correlation matrix of acoustic signals has been established. The degradation of these eigenvalues is a direct consequence of the thermal and the kinematic fluctuation rate of the low atmosphere

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur un paradigme de localisation et de modélisation simultanée de l’environnement (SLAM). Dans ce cadre, le système de perception utilisé est un système de vision omnidirectionnelle stéréoscopique basé sur la translation rigide du capteur SYCLOP développé dans notre laboratoire. La première problématique abordée est celle de la construction d’un modèle sensoriel robuste et cohérent de l’environnement à partir de deux images omnidirectionnelles. Une méthode originale d’association des secteurs issus de chaque image panoramique est proposée et utilise la « théorie des croyances » de Dempster-Shafer. Cette approche associative multi-critères permet par triangulation d’obtenir un modèle sensoriel où les amers verticaux sont représentés par des primitives de types points. La deuxième problématique traitée est celle de la mise en correspondance du modèle sensoriel avec un modèle cartographié de l’environnement. Cette étape est prépondérante puisqu’elle permet au robot de se localiser par rapport à une carte pouvant être à priori connue ou construite de manière incrémentale. Les critères de robustesse et de précision nous ont conduits à valider et à utiliser un algorithme basé sur le calcul de la distance cartésienne. La troisième problématique abordée dans ces travaux, et la plus importante, est celle permettant au robot de construire incrémentalement la carte de son environnement. Cette phase est indissociable de celle qui consiste à localiser le robot. On parle alors de paradigme de localisation et de modélisation simultanée de l’environnement. La phase de génération incrémentale de carte nécessite de s’intéresser aux problèmes que sont (1) le choix d’une représentation, (2) la distinction du cas où l’intégration d’une nouvelle primitive est nécessaire ; (3) la prise en compte de l’interaction entre erreur de localisation et erreur sur l’estimation des paramètres des primitives cartographiques. Nous avons proposé une première approche basée sur une estimation des paramètres des primitives cartographiques au sens des moindres carrés. Le critère décisionnel est géré avec la théorie des croyances de Dempster-Shafer. Nous montons les limites de cette première approche qui engendre des phénomènes de dérives cumulative. Une des raisons expliquant cette dérive est l’absence de prise en compte de la troisième contrainte. Son intégration nous a conduit à proposer un deuxième approche du paradigme SLAM basée sur le formalisme de l’inversion ensembliste (analyse par intervalle). Après avoir reformulé le problème de la localisation au sens ensembliste, nous présentons un module de génération incrémentale de carte basé sur une représentation sous forme de sous-pavages. Les résultats obtenus sur des trajets importants montrent la minimisation des dérives ainsi qu’une précision importante.

Synthese bibliographique sur le rendement thermique des capteurs solaires. Mesure du rendement instantane et du coefficient d'echange thermique des echangeurs de chaleur. Elaboration d'un modele mathematique caracterisant le comportement thermique des echangeurs en regime transitoire

L'objet de cette thèse est l'étude et la réalisation d'un photorécepteur résonant, pour la transmission d'un signal analogique hyperfréquence. Le premier et le deuxième chapitre, sont consacrés à l'étude de deux types de photodétecteurs: la photodiode pin et le photodétecteur métal-semiconducteur-métal (msm). Nous développons des modèles numériques permettant d'étudier leurs comportements dynamiques. Une confrontation théorie-expérience est présentée à la fin de chaque chapitre. Le troisième chapitre, est consacré à étudier l'association d'un photodétecteur et d'un transistor à effet de champ, par l'intermédiaire d'une inductance: c'est le photorécepteur résonant. Il permet, par un effet de résonance, d'améliorer la sensibilité d'une tête optique dans une bande passante donnée. Une vérification expérimentale sur un circuit en technologie hybride est présentée à la fin du chapitre. La réalisation du photorécepteur résonant série integré monolithiquement fait l'objet du quatrième chapitre. Dans un premier temps, nous étudions de nouvelles technologies pour la réalisation d'un photodétecteur m. S. M. Adapté aux grandes longueurs d'ondes. Ensuite nous présentons la réalisation du photorécepteur. Dans la dernière partie, nous donnons un ensemble de résultats expérimentaux obtenus par la caractérisation du dispositif

Notre etude porte sur la simulation de capteurs de vision des robots, et plus precisement sur la definition d'une implantation optimale de ces capteurs pour localiser un objet dans la cellule. Apres avoir presente les caracteristiques des capteurs exteroceptifs assurant la fonction visuelle des robots, nous definissons leurs performances en matiere de localisation 3d. Cette etude nous conduit a limiter notre simulation a des capteurs particuliers (lasers a lumiere structuree, camera c. D. D. ). La modelisation choisie est surfacique pour l'environnement, essentiellement geometrique pour les capteurs. L'etude des performances et des limites de la c. A. O. Robotique permet de preciser les outils de modelisation et de simulation operationnels a ce jour. Nous definissons le contexte dans lequel nos travaux ont ete menes (cahier des charges, moyens materiels et logiciels) et nous presentons l'architecture logicielle que nous avons adoptee pour resoudre notre probleme. La structure des differents modules du simulateur est presentee, en insistant sur le degre d'interactivite propose a l'operateur et les problemes particuliers rencontres (zones d'ombres sur la cible, visibilite de la trace laser depuis la camera. . . ) sont debattus. Les resultats, ainsi que les performances de notre outil logiciel sont exposes, en precisant les modifications et extensions susceptibles d'en ameliorer la qualite. Enfin, nous decrivons les manipulqtions experimentales que nous avons effectuees au l. A. M. M. , presentons les caracteristiques des elements de la cellule que nous avons mise en place, et detaillons les etapes de calibrage (de la cellule de la camera) auxquelles nous avons ete confrontes

Les experiences de microscopie a force atomique (afm) sont encore mal comprises, aussi bien pour l'origine des rugosites et l'ordre de grandeur des forces mesurees que pour l'interpretation structurale des images. Pour mieux comprendre les phenomenes lors d'une imagerie, nous avons commence par une classification des differentes methodes de modelisation existantes, avant de porter notre choix sur la mecanique moleculaire qui permet une description par des potentiels chimiques de la jonction pointe-surface en la considerant comme une supermolecule. La prise en compte des deformations a permis de reproduire les images de trois substrats de nature tres differente: le graphite, le mica (muscovite) et le chlorure de sodium. Cependant, cette methode reste insuffisante pour une evaluation correcte de la rugosite et des forces mesurees malgre ses possibilites tant pour l'etude des surfaces planes que pour l'etude des defauts comme les marches ou les lacunes. Un nouveau modele est donc propose, base sur le concept dit de jellium deformable dans lequel les interactions pointe-surface de la jonction sont decrites par les lois du milieu continu pour les parties loin de la zone de contact et par la mecanique moleculaire pour les parties dans la zone de contact. Une premiere application de ce modele montre un bon accord de la rugosite et l'ordre de grandeur des forces calculees avec les valeurs experimentales. Par quelques exemples il est montre que l'on peut envisager desormais d'utiliser cette approche pour des etudes plus avancees comme la manipulation d'atomes, l'imagerie de molecules adsorbees, la reconnaissance d'un site actif d'une proteine ou le calcul simultane d'une image afm et stm

Depuis 1954, où l’effet piézorésistif a été découvert dans Silicium, la démarche pour mesurer la pression a changé et de nouveaux dispositifs avec des performances remarquables sont apparus sur le marché. Grâce au développement des microtechnologies, une nouvelle famille de capteurs de pression piézorésistifs miniatures s’est ainsi progressivement imposée pour de nombreuses applications. Même si le principe de fonctionnement des capteurs de pression piézorésistif en silicium reste le même depuis de nombreuses années, l’optimisation des capteurs pour une application donnée reste toujours une étape couteuse. C’est pourquoi de nombreux travaux ont été effectués pour développer des outils de conception les plus performants possibles afin de limiter les phases de validation expérimentales. Il existe ainsi sur le marché des logiciels de simulation 3D multiphysiques qui permettent de prendre en compte aussi bien les phénomènes thermomécaniques qu’électriques qui sont nécessaires pour ce type de capteurs. Malgré les progrès constants dans la puissance de calcul des ordinateurs, l’optimisation de ces capteurs par des méthodes de simulation élément fini peut s’avérer couteuse en temps si on veut prendre en compte l’ensemble des caractéristiques du capteur. C’est notamment le cas pour les jauges de contraintes en silicium dont le profil de dopage n’est pas constant dans l’épaisseur car les caractéristiques électriques et piézoélectriques dépendent du niveau de dopage. Les travaux de cette thèse portent donc sur le développement d’un outil de simulation analytique qui permet d’une part une optimisation rapide du capteur par une technique multi-objectif semi-automatique et d’autre part une analyse statistique des performances pour estimer le rendement de fabrication potentiel. Le premier chapitre décrit le contexte de ces travaux de thèse. Le second chapitre présente le principe de fonctionnement du capteur ainsi que tous les modèles analytiques mis en oeuvre pour modéliser le capteur. Ces modèles analytiques sont validés par des simulations élément finis. Le troisième chapitre porte sur l’outil d’optimisation et d’analyse statistique développé dans un environnement MATLAB. Le quatrième chapitre décrit la fabrication et la caractérisation des cellules de tests dont le comportement est ensuite comparé aux modèles analytiques. Ces caractérisations ont permis de montrer notamment que les modèles utilisés généralement pour décrire la dérive thermique des piézorésistances présentaient des erreurs notables. Des structures de tests spécifiques ont ainsi été mise en oeuvre pour avoir des données plus fiables. Finalement la dernière partie du manuscrit donne les conclusions générales ainsi que les perspectives de ce travail
Since 1954, when the piezoresistive effect in semiconductors was discovered, the approach to the pressure measurement has changed dramatically and new devices with outstanding performances have appeared on the market. Along with the development of microtechnologies for integrated circuits, a new branch of MEMS called devices have stormed our world. One of the biggest branches of today’s microsystems are pressure transducers which use the synergy of the piezoresistivity phenomenon and microfabrication technologies. While the main idea of strain gauge-based pressure measurement has not changed over the last few decades, there has been always a need to develop the design methodology that allows the designer to deliver the optimized product in the shortest possible time at the lowest possible cost. Thus, a lot of work has been done in the field in order to create tools and develop the FTR (first time right) methodology. Obviously, the design of the device that best fulfills the project requirements needs an appropriate simulation that have to be performed at the highest possible details level. Such an approach requires the detailed model of the device and, in case of its high complexity, a lot of computing power. Although over the last decade the most popular approach is the FEM analysis, there are some bottlenecks in such an approach like the difficulty of the implanted layers modeling where the doping profile shape has to be taken into account especially in the coupled electromechanical analysis. In this thesis, we try to present the methodology of the pressure sensor design which uses the analytical model of such a sensor that takes into consideration the nonuniform doping profile of the strain gauge, deals with the basic membrane shapes as well as with thermal and noise issues. The model, despite its limitations in comparison to the FEM one, gives trustworthy results which may be used for the reliable pressure sensor design in an extremely short time. In order to be quantitative, the analysis showing the drawbacks and advantages of the presented method in comparison to the FEM analysis using specialized tools like ANSYS ® and SILVACO-ATHENA® packages is also presented. Then, the model is used in a multi-objective optimization procedure that semi-automatically generates the design of a sensor, taking into account project requirements and constraints. At the end, the statistical analysis that may be helpful to estimate the production yield is performed. All three steps are included in the dedicated design and optimization tool created in a MATLAB ® environment and successfully tested. In the last section, the experimental results of fabricated samples are compared to those obtained by the developed tool

L'etude a eu pour objectif de developper les applications de la microscopie acoustique a la caracterisation de la tenue mecanique d'une couche mince deposee sur un substrat. Une partie consacree a la modelisation expose les differentes formulations de l'adhesion et permet la determination du reseau de dispersion des vitesses des modes de lamb pour chaque degre d'adherence. Cette analyse est mise en uvre experimentalement sur des plaques d'acier liees a un substrat en verre. La definition de criteres permettant d'evaluer l'efficacite de ces modes est developpee et appliquee a l'etude de leur sensibilite au decollement. L'optimisation des performances du capteur est etudiee par l'intermediaire de la longueur de la ligne a retard. Nous montrons, au niveau theorique et experimental, que ce parametre permet d'ameliorer la sensibilite de la signature acoustique aux modes de propagation acoustiques. Au niveau experimental, la caracterisation d'un depot pvd de chrome de 10 microns d'epaisseur sur un substrat en acier est abordee sous deux aspects. D'une part, l'imagerie hautes frequences permet d'observer sa microstructure et de detecter les defauts masques (fissures,). D'autre part, l'analyse de signatures acoustiques v(z) et de profils v(x) permet d'effectuer une quantification de la qualite du revetement

Le problème posé dans cette thèse est de déterminer l’instrumentation permettant à un algorithme de filtrage d’estimer en temps réel, les états dynamiques d’un véhicule automobile. Ces états correspondent aux vitesses verticales de chaque coin du véhicule, des roues ainsi que les vitesses et déplacements relatifs du véhicule par rapport aux roues et des roues par rapport au sol. Dans une première partie, il a été nécessaire de modéliser le véhicule. Dans cette partie, des simplifications ont été réalisées pour permettre l’exploitation des algorithmes par des calculateurs peu coûteux, adaptés économiquement à l’industrie automobile. Enfin, nous avons recalé les paramètres du modèle sur un véhicule prototype en exploitant des données expérimentales. Dans une seconde partie, nous avons réalisé des algorithmes de filtrage basés sur trois configurations de capteurs. Un premier faisant intervenir uniquement les capteurs de déplacement relatif des suspensions. Un second intégrant en plus des capteurs précédents, un accéléromètre positionné sur chaque coin du véhicule. Un troisième utilisant cette fois des accéléromètres positionnés sur chacune des roues. Enfin, nous avons testé chaque algorithme en simulation à partir de mesures effectuées sur véhicule. Cette étape nous a permis de quantifier les performances de chaque configuration. Les résultats ont montré que la configuration 3 est la solution la plus performante en vue d’une application par des systèmes de suspensions contrôlées. L’intérêt de ce travail réside essentiellement dans le fait qu’il est possible de réaliser en temps réel, un filtre de Kalman étendu en exploitant les calculateurs disponibles. Des essais en prototypage rapide sur véhicule prototype ont montré également, à partir des lois de commande existantes, qu’il est préférable d’un point de vue confort et tenue de route, de privilégier des accéléromètres positionnés sur chacune des roues plutôt que sur chaque coin du véhicule
The problem is the real time estimation of dynamic vehicle states using specific sensors sets we search to determine. These states correspond to the vertical velocity on each corner car and each wheel. It also includes the relative displacement and velocity of the suspension and tire deflection. In a fist part, taking into account all the vehicle situations, we have built a specific dynamic vehicle model based on mechanical equations. In this part some simplifications and approximations have been realized to adapt the algorithm to a real time application with its Electronic Control Unit limitations. Then we have adjusted the model parameters by using vehicle data from road measurements. In the second part, we have built filtering algorithms based on different sensor sets. A first setting using only four suspension relative displacement sensors only. A second one using the previous sensors with an accelerometer on each corner of the car. A third one using the four relative displacement sensors and four wheel accelerometers. This study leads to express differently the evolution of the vehicle state variables to decouple the complete model into four sub-systems and design a specific algorithm for each of them. To conclude we have tested each algorithm in simulation from measured vehicle data on reference road. This step leads to quantify the performances of the three filters. The conclusion is that the third configuration is the best sensor set for controlled suspension system applications. The outcome of this work is the ability to construct an algorithm embedded on actual Electronic Control Units available in automotive industry. Also, this work showed that it’s preferable to install accelerometers on wheel rather than on each vehicle’s corner

Ce travail s'associe à deux autres thèses, la première concernant la planification de missions de robots mobiles et la seconde l'évitement d'obstacle. L'étude proposée consiste à définir un niveau de contrôle d'exécution qui interprète et exécute des tâches fournies par le planificateur de façon à réaliser une mission avec succès. L'approche présentée prend en compte les erreurs de suivi de chemin, les incertitudes de localisation ainsi que d'éventuelles erreurs de modélisation de l'environnement. Une tâche est constituée ici d'une suite de configurations de passage référencées par rapport à une carte locale, partie du modèle de l'environnement supposé connu a priori. L'exécution d'une tâche intègre donc la définition d'un chemin qui relie toutes les configurations de passage ainsi que des modules de localisation et de suivi de chemin. Un principe d'adaptation de la vitesse est de plus proposé. Il tient compte de la difficulté de la tâche à réaliser, c'est-à-dire de la proximité des obstacles et de l'incertitude de localisation du robot. Cette étude a fait l'objet d'une simulation ainsi que de plusieurs réalisations pratiques.

L'objet de cette thèse est de présenter l'étude théorique et expérimentale de l'intégration monolithique de photodétecteurs et de guides optiques sur matériaux III-V. Après avoir rappelé les principales propriétés électroniques et optiques des matériaux III-V qui régissent le comportement d'un photodétecteur-guide, nous présentons les différents types de photodétecteurs et les éléments de base de l'optique integrée qui permettent une telle association, ainsi qu'un état de l'art de l'intégration monolithique de photodétecteurs et de guides optiques. A l'issue de cette première analyse, nous développons une modélisation des phénomènes de couplage optique au sein d'un photodétecteur-guide. Nous mettons alors en évidence et expliquons le comportement oscillatoire du coefficient d'absorption d'un tel dispositif en fonction de l'épaisseur de la couche absorbante déposée sur le guide optique. Aussi, nous montrons l'importance de ce phénomène pour obtenir une structure compacte. Ensuite, nous dégageons un prolongement de notre modèle optique en étudiant le comportement électronique d'un photodétecteur-guide. Nous proposons une approche de ce comportement que nous appliquons au pin-guide, en montrant les influence des différentes contributions qui régissent les performances dynamiques de ce dispositif. Enfin, nous démontrons expérimentalement, après l'avoir validée théoriquement, la faisabilité de photodétecteurs compacts integrés à un guide optique. Notamment, nous avons réalisé un photodétecteur métal-semiconducteur-métal intégré à un guide optique dont les propriétés de compacité (une couche absorbante de 100 m de long et de 0,2 m d'épaisseur pour une efficacité de couplage de 0,9) et les performances dynamiques (15 ghz de bande passante) sont les meilleures rapportées à ce jour

Les manipulateurs mobiles, composes d'un bras manipulateur monte sur un vehicule, constituent un axe de recherche important en robotique. Les manipulateurs mobiles autonomes, semi-autonomes ou teleoperes ont beaucoup d'applications potentielles dans des milieux hostiles ou non-structures tels que l'espace, le sous-marin, le deminage et les sites nucleaires. Comme le decrit le premier chapitre de ce memoire, les avantages des manipulateurs mobiles sont nombreux. Toutefois, un des inconvenients majeurs reside dans leur complexite de commande. Nous pouvons soit controler le bras et le vehicule de facon coordonnee soit controler les deux separement. L'etude menee dans cette these concerne uniquement la commande du bras manipulateur, le vehicule etant considere comme une source de perturbations devant etre prises en compte ou rejetees par l'algorithme de commande du bras. Une analyse en simulation et sur site experimental permet de definir pour chaque type de taches envisagees la commande la plus adaptee afin de garantir le succes de l'operation. Les commandes etudiees peuvent etre regroupees en trois categories: la commande hybride, la commande externe et la commande d'impedance. La commande a structure variable et le principe de l'environnement virtuel sont introduits dans les algorithmes ci-dessus afin d'en accroitre la robustesse. De plus, etant donne que les manipulateurs mobiles evoluent la plupart du temps dans des environnements non structures, une methode d'evitement des collisions basee sur le principe des actions reflexes est proposee

Ce memoire de these presente une loi de commande position/force robuste pour des robots a architecture complexe. Nous etablissons tout d'abord, au chapitre un, une definition de la robustesse dans le cadre de la commande de robot manipulateur ainsi qu'une definition des incertitudes et des perturbations associees a la meconnaissance du modele. Nous presentons divers principes de commandes robustes. Les differents moyens d'experimentation et de validation mis a notre disposition sont exposes au chapitre deux. Il s'agit notamment d'un robot a deux bras compose de deux puma 560, d'un simulateur de ce robot que nous avons developpe et d'un robot parallele delta. Le chapitre trois est consacre a l'etude, l'analyse et la validation experimentale d'une loi de commande robuste en position, originale, basee sur le principe de la commande par regime glissant. Nous traitons, au quatrieme chapitre, en prenant le modele d'un actionneur simplifie, le probleme specifique de la commande en effort. Nous proposons une solution simple a mettre en uvre pour rendre une loi quelconque de commande en effort, insensible aux variations de la raideur de l'environnement. Des resultats experimentaux sont presentes au terme de cette etude. Au cinquieme chapitre nous faisons la synthese des resultats que nous avons obtenus et nous proposons un schema de commande hybride robuste pour un robot manipulateur a deux bras. Une validation de ce schema de commande est realisee en simulation

Ce memoire de these traite du probleme de selection et de placement de capteurs par rapport a une tache dans un contexte de robotique mobile. L'introduction generale presente une reflexion de base sur ce theme et permet de definir trois grands axes de recherche qui sont repris dans les chapitres suivants. Le premier chapitre decrit une approche multi-criteres permettant de modeliser les specifications de la tache par rapport a un ensemble de criteres et deduire un classement des divers capteurs en fonction de leur adequation avec la tache. Cette approche est basee sur la logique floue et les relations de preference. Le deuxieme concerne un critere particulier, le critere de precision, qui permet d'introduire des variables de selection et de placement. Celui-ci est base sur une approche bayesienne de fusion des informations issues des capteurs. Le troisieme chapitre concerne l'etude et la mise en uvre d'un algorithme d'optimisation adapte au type de fonction que nous obtenons. A cause des problemes de mixite des variables (entieres et reelles), nous avons opte pour une approche de type algorithme genetique. Enfin, un dernier chapitre decrit l'algorithme complet et quelques exemples de mise en uvre

De nos jours, la mecanique moleculaire est devenue l'outil privilegie pour l'etude des interactions moleculaires. Afin d'analyser quelle pouvait etre l'influence des parametres et des fonctions intervenant dans les champs de force, nous avons developpe le logiciel struc. Ce programme permet de choisir entre deux champs de force amber et mm2, les parametres correspondants pouvant etre manipules de maniere interactive. La necessite de pouvoir construire et manipuler des molecules sur ecran graphique 3d interactif nous a amenes a developper le programme genmol. Ce dernier autorise la construction de molecules pouvant contenir plusieurs centaines d'atomes. Il presente la specificite de traiter les systemes pi et les problemes conformationnels incluant ceux des macrocycles. Nous avons aborde des differents problemes de la mecanique moleculaire a travers un echantillonnage moleculaire representatif, et montre les voies que nous avons choisies pour les resoudre

Les réseaux de capteurs sans fil sont constitués de nœuds de petite taille équipée d’une unité de calcul, de capteurs et d’une unité de communication sans fil qui rend possible la communication entre les nœuds. La consommation d’énergie est en général le paramètre à optimiser à tous les niveaux de la conception d’un nœud de réseau de capteurs sans fil car ces dispositifs sont généralement alimentés par des batteries de petite taille. Pour prolonger l’autonomie d’un nœud, il est nécessaire d’utiliser un système permettant de récupérer une partie de l’énergie disponible dans l’environnement. L’objectif de cette thèse est de proposer un environnement de simulation et une bibliothèque de modèles pour l’analyse de nœuds d’un réseau de capteurs avec récupération d’énergie, avec une attention particulière pour les politiques de gestion de la consommation d’énergie
Wireless Sensor Networks are composed of nodes equipped with a computational unit, sensors and a radio transceiver. Energy consumption is a major challenge in the WSN domain, and energy efficient solutions are required because the nodes carry a limited amount of power. Energy harvesting technologies can be used to scavenge energy from the environment, thus prolonging the lifespan of a WSN node. The goal of this thesis is on power management techniques

Cette thèse, qui porte sur la planification de tâche-robot pour robots mobiles en environnements structurés, débute par une étude bibliographique approfondie de la planification. Il y est démontré que dans la grande majorité des cas, les résultats de la planification ne sont pas produits pour sécuriser et faciliter le contrôle d'exécution qui pourtant est classiquement l'interlocuteur direct du planificateur. Ces deux lacunes s'imposent des lors naturellement comme deux objectifs majeurs de cette étude. La sécurisation du contrôle d'exécution consiste tout d'abord à construire un modèle du capteur télémétrique ultrasonore, dont le véhicule est doté, basé sur celui développé par J. Crowley. Il est ensuite possible, en s'appuyant sur un modèle simple de l'environnement, de construire un principe de localisation géométrique de type erreur bornée. On dispose alors d'une quantification de l'incertitude sur la localisation du robot par une valeur numérique appelée PIC pour potentiel d'incertitude en configuration. La sécurisation proprement dite consiste alors à discrétiser l'environnement puis à appliquer l'algorithme A* de manière à produire un chemin de coût minimal au sens du PIC. Cette sécurisation réside dans le fait que lorsque le véhicule se localise bien, les risques de collision ou plus généralement d'échec de la mission sont moindres. La simplification du contrôle d'exécution s'effectue en plusieurs étapes. Dans un premier temps, une trajectoire à courbure continue (courbe de Bézier) est construite à partir d'un chemin PIC engendré par l'algorithme A*. Cette trajectoire est ensuite, dans un second temps, découpée en une séquence de sous-trajectoires, définie grâce à une méthode d'analyse de données appelée méthode des nuées dynamiques, de sorte que le véhicule, pendant son déplacement, se localise par rapport aux mêmes éléments de référence de l'environnement qui constituent ce qu'on appelle une carte locale. Une fois les cartes locales définies, chaque tâche-robot consiste en un suivi de trajectoire assurée par régulation à zéro d'une fonction de tâche. La simplification du contrôle d'exécution réside dans le fait que le véhicule n'utilise que les éléments de référence capable de lui fournir la meilleure information de localisation c'est-à-dire ceux de la carte locale. Cette étude montre également que le concept de carte locale, qui représente l'originalité et la contribution majeure de cette thèse, confère une meilleure robustesse du suivi de trajectoire par rapport aux erreurs de modélisation de l'environnement.

Le problème principal à résoudre dans ce mémoire, est comment reconnaître et enlever les erreurs de mesure par ultrason, afin de représenter un environnement le plus réel possible pour un robot mobile. Nous avons étudié d'abord les influences subies par la propagation ultrasonore et les caractéristiques expérimentales de réflexion ultrasonore. Ensuite, nous avons proposé des moyens afin d'éviter ou de compenser les erreurs de mesure ultrasonore. Nous proposons notamment une méthode de modélisation de l'environnement visible à partir de mesure par ultrason pour compenser l'erreur due aux réflexions multiples des ondes ultrasonores. La précision de modélisation est progressivement améliorée avec le déplacement du robot. Pour faciliter les études de la modélisation, nous avons développé un simulateur de mesures ultrasonores avec les modèles expérimentaux. A partir des mesures de capteurs et de l'environnement modélisé, nous proposons un algorithme pour déterminer la position de l'obstacle le plus proche de l'enveloppe du robot. Cette position constitue le critère des actions réflexes. Enfin, nous avons conçu et réalisé un organe du système de contrôle hiérarchisé, destiné au robot mobile prototype "ROBBY".

Ce travail de thèse en Mathématiques Appliquées a été effectué au sein du service Capteurs et Systèmes Electroniques (SCSE) au CEA-Leti, organisme majeur de la recherche publique française implanté à Grenoble. Il s'inscrit dans le cadre d'une collaboration avec le laboratoire de mathématiques appliquées Jean Kuntzmann (LJK) de l'Université Joseph Fourier (UJF). Le Leti développe des systèmes de capteurs de données terrestres (magnétomètres, accéléromètres...) capables de se géoréférencer de manière autonome. Placés sur des objets, ces dispositifs de capteursfournissent leur orientation propre dans l'espace, et ouvrent donc un vaste champ d'applications dans le domaine de l'acquisition et la reconstruction de formes.Le problème de la reconstruction de surfaces à partir de données d'orientation non structurées est par essence un problème mal posé. Cependant, des travaux précédents effectués au Leti ont permis de dégager un protocole fournissant un cadre valide pour le processus de reconstruction. Les capteurs ont été intégrés dans les rubans Morphosense : ces rubans souples équipés de noeuds de capteurs selon unegéométrie connue permettent ainsi le développement d'algorithmes de reconstruction de la courbe suivie par le ruban. L'application de rubans Morphosense sur une surface physique permet alors d'acquérir la famille des courbes suivies par les rubans et tracées sur la surface. Il s'agit ensuite d'exploiter le réseau des courbes ainsi obtenues pour reconstruire la surface. Dans un premier temps, nous revisitons la question de la reconstruction du ruban. Nous proposons des algorithmes de reconstruction de la courbe 3D suivie par le ruban Morphosense prenant maintenant en compte l'intégralité des données fournies par les capteurs d'orientation, ainsi que les propriétés méca-niques du ruban qui le conduisent à suivre des courbes géodésiques sur une surface. De ce point de vue, la reconstruction peut être considérée comme optimale.On étudie ensuite un ensemble de méthodes pour la reconstruction de surfaces à partir d'un réseau de courbes rubans. Dans le cas général, un tel type de réseau conduit à des problèmes de fermeture et d'estimation de données manquantes. La question de la fermeture, d'ordre essentiellement numérique et liée à des contraintes différentielles, concerne le réseau des courbes et la difficulté d'obtenir des contoursfermés. La question cruciale de l'estimation des données manquantes traduit le fait qu'aucune information sur la surface n'est connue et accessible en dehors du réseau des courbes rubans.Afin de s'affranchir de ces problèmes et de proposer des solutions pratiques pour la reconstruction, il est nécessaire de faire des hypothèses sur le modèle de surfaces à reconstruire ou sur la topologie de réseau de courbes acquises. Les méthodes développées s'inscrivent donc dans l'une des deux approchessuivantes.– D'une part des méthodes de reconstruction de surfaces développables et quasi-développables, qui modélisent de manière satisfaisante les surfaces étudiées dans le cadre de nombreuses applications.– D'autre part des méthodes de reconstruction à partir d'une topologie spécifique de réseaux de courbes (courbes quasi-planaires, contour ouvert), permettant de résoudre le problème de fermeture.L'ensemble des méthodes proposées dans ces travaux permet ainsi de formuler un processus global de reconstruction de surfaces, qu'il est possible d'adapter aux problèmes étudiés en pratique, afin de proposer une solution à la fois simple et précise dans chaque cas. La validation des résultats dans le cadre des données réelles fournies par les rubans Morphosense nous a conduit à développer des dispositifs métrologiques. Enfin, notons que le contexte général des données d'orientation étudié ici soulève des problématiques peu classiques, voire nouvelles, auxquelles nous avons essayé d'apporter des solutions originales, en particulier au travers d'algorithmes d'interpolation et d'optimisation
This PhD thesis in applied mathematics was conducted within the Electronic Systems andSensors department of the CEA-Leti (Atomic Energy and Alternative Energies Commission - Laboratory for Electronics and Information Technologies), a major organism for technological research located in Grenoble, France. This work originated from a partnership with the applied mathematics laboratory (LJK) of the Joseph Fourier university (UJF). The Leti develops embedded systems equiped with micro-sensors (magnetometers, accelerometers...) from which it is possible to retrieve informations about their spatial orientation. These systems allow for innovative applications in the field of shape acquisition and reconstruction. The problem of reconstructing surfaces from unstructured orientation data is ill-posed. However, previous work done within the Leti came up with a valid reconstruction protocol. The micro-sensors were integrated into the Morphosense ribbon : this flexible ribbon instrumented with sensor knots according to a known geometry is at the core of a number of reconstruction algorithms for the curves followed by the ribbon. When lied on a physical surface, Morphosense ribbons then allow the acquisition and reconstruction of a network of curves on the surface, that are then used for the reconstruction of the entire surface. We first propose new algorithms for curve reconstruction thanks to the Morphosense ribbon. Those new methods now integrate the orientation informations provided by the sensors in their entirety, as well as the mechanical properties of the ribbon that force it to follow geodesic curves on a surface. From this point of view, the curve reconstruction can be considered optimal, as it integrates all the information embedded in the ribbons' structure. We then study a set of methods for the reconstruction of surfaces using a network of ribbon curves. Such a network generally leads to problems linked to the closure of the network and missing data estimation. The closure of the network is essentially a numerical problem related to differential constraints. The missing data corresponds to the lack of information on the surface outside the network of curves. In order to deal with these problems and propose practical solutions for the reconstruction, hypotheses either on the surface models or the topology of the network of curves are required. Therefore, the developed methods fall within the two following approaches.– On the one hand, reconstruction methods for developable and quasi-developable surfaces, which are a good approximation for the surfaces considered in numerous applications.– On the other hand, reconstruction methods from networks of curves with specific topologies (quasi-planar curves, open network) so as to deal with the closure problem.The set of methods developed in this work allow to formulate a global process for the reconstruction of surfaces, with flexible algorithms adapting to the different practical situations, so as to propose a solution both simple and precise in each case. The validation of our results in the case of real sensors data provided by the Morphosense ribbons also led us to develop metrological device. Finally, notice that the general context of reconstruction from orientation data studied here raises original theorical problems, to which we tried to answer with innovative solutions through interpolation and optimization algorithms

Les capteurs d'images couleurs et multispectraux contiennent plusieurs canaux d'acquisition caractérisés par des réponses spectrales. Le choix de celles-ci détermine les performances fonctionnelles de l’imageur en agissant sur la qualité de la reconstruction couleur ou spectrale effectuée. Ce choix agit également sur l’amplification du bruit survenant lors du traitement de l'image brute. Cette thèse consiste en une analyse géométrique de ce phénomène et propose une méthode d'optimisation des réponses spectrales.L'exposé contient des simulations réalisées sur des images multispectrales permettant de simuler des acquisitions brutes et de tester des étapes de traitement. Grâce à un banc d’acquisition, une nouvelle base de donnée a été publiée contenant 22 images multispectrales couvrant toute la gamme d’absorption du silicium (400-1050 nm). Ensuite, j’ai développé une approche géométrique permettant de décrire le phénomène d’amplification en se basant sur une représentation graphique des signaux/bruits bruts, spectraux et couleurs. J’ai ainsi conclu que les corrélations entre canaux constituent la principale cause d’amplification.Cette représentation géométrique du problème m’a, ensuite, permis d’élaborer une méthode simple de décorrélation respectant la contrainte de positivité, adaptée au calcul de réponses spectrales théoriques. J'ai alors calculé des réponses spectrales optimisées pour la couleur puis j'ai étendu le principe au cas de l'imagerie multispectrale.Pour aller plus loin, j’ai montré comment utiliser une modélisation du domaine de vision mésopique pour relaxer la colorimétrie de l’image de manière contrôlée en augmentant son rapport signal sur bruit. Enfin j’ai étendu la modélisation géométrique à d’autres problématiques comme celle du dématriçage de l’image
Color and multispectral image sensors contain several acquisition channels characterized by their spectral responses. On one hand, the choice of these ones influences the functional performance of the sensor by changing its color and spectral accuracy. On the other hand, it affects noise amplification occurring when raw images are processed. This thesis contains a geometrical analysis of this phenomenon and proposes a method to optimize spectral responses.Multispectral images allow to simulate raw acquisitions from theoretical sensors and to test processing steps. Using an acquisition bench, a new dataset has been published containing 22 multispectral images covering the absorption range of silicon (400-1050 nm).Then, I developed a geometrical approach to describe noise amplification based on a graphical representation of signals/noise at raw, spectral and color levels. I concluded that inter-channel correlations are the main cause of the amplification.Based on this geometrical representation, I created a simple decorrelation method respecting positivity constraint, adapted to the computation of theoretical spectral responses. I used this method to compute optimized responses for a color sensor and I extended the principle to multispectral applications.To go further, I used a model of mesopic vision domain to relax colorimetry in a controlled way while increasing signal to noise ratio of the image. Then I showed that the geometrical approach could be extended to other issues like image demosaicing

Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement des Capteurs à Fibres Optiques fondés sur les fibres dites microstructurées. Les nombreux avantages inhérents à ces fibres spéciales issues de cette technologie innovante sont liés à la présence dans la gaine optique de canaux d’air parallèles à l’axe du guide. Tant les télécommunications que l’instrumentation peuvent tirer profit des nombreuses possibilités offertes par la conception ‘à la demande’ de ce type de guide, rendue possible par l’assemblage parallèle de tiges et de tubes de silice qui constituent autant de zones de la préforme à partir de laquelle sera réalisée la fibre microstructurée. Ainsi, il est envisageable d’utiliser l’interaction entre le champ électromagnétique de l’onde optique et les milieux liquides, voire solidifiés, présents dans lesdits canaux pour réaliser des transducteurs ou bien des modulateurs actifs de lumière par exemple. Au-delà, la conception de la fibre permet d’optimiser la sensibilité de mesure aux paramètres recherchés. Enfin, le recours à des réseaux de Bragg photo-inscrits dans le cœur de la fibre complète avantageusement la fonction transductrice des capteurs en rendant possible les mesures déportées et spectralement multiplexées. Ce manuscrit décrit la photo-inscription d’un réseau de Bragg à pas court et à traits droits, ou à traits inclinés, dans une fibre microstructurée et l’étude de la sensibilité de sa résonance spectrale en fonction de l’indice de réfraction d’un milieu inséré dans les canaux de la fibre, et ce pour plusieurs conceptions de fibres. Le principe de la mesure est de suivre le décalage spectral de la raie de Bragg en fonction de l’indice de réfraction du milieu présent dans les canaux. Dans un premier temps, une caractérisation des fibres microstructurées fabriquées par le consortium du projet MONTE CRISTO auquel cette recherche était adossée (fibre à 6 trous, puis à 18 trous), a été réalisée via l’inscription de réseaux de Bragg à traits droits et la comparaison entre les résultats expérimentaux d’une imagerie modale en bout de fibre avec ceux issus des modèles. Pour ce faire, en plus de l’utilisation du logiciel commercial FEMLab (de type éléments finis) un outil de simulation, fondé sur la méthode des fonctions localisées, a été mis en œuvre au sein du laboratoire. Celui-ci permet, en outre, de déterminer la sensibilité d’un profil de fibre donné à l’indice de réfraction du milieu dans les canaux (les sensibilités obtenues respectivement avec les fibres à 6 et 18 trous pour un produit présent dans les canaux d’indice de réfraction proche de 1,33 sont de 4×10-3 u. I. R/ pm et 7×10-4 u. I. R/ pm). Cet outil nous a ensuite permis de modéliser la conception d’un profil de fibre microstructurée spécifique constitué de trois gros canaux proches du cœur. Cette constitution améliore grandement l’interaction entre le champ électromagnétique et le milieu inséré et in fine accroît la sensibilité de la résonance de Bragg à l’indice de réfraction (sensibilité de 3×10-5 u. I. R/ pm pour un indice de réfraction de l’ordre de 1,33). Dans un second temps, différents fluides d’indices de réfraction connus ont été introduits par capillarité dans les canaux de la fibre. L’évolution spectrale du réseau de Bragg photo-inscrit dans le cœur (dopée Ge) de la fibre microstructurée avec l’indice de réfraction a ainsi permis de déterminer finement la sensibilité de mesure. Une autre approche, fondée sur l’emploi d’un réseau de Bragg à traits inclinés a également été investiguée. Celle-ci, complémentaire de la première (consistant à modifier le profil de la fibre et donc ses caractéristiques optogéométriques), a permis, à nouveau, d’augmenter significativement la sensibilité de mesure en considérant l’évolution spectrale avec l’indice de réfraction d’un des modes d’ordre supérieur du réseau. Au delà, un dispositif réfractométrique ‘réversible’ sur plusieurs cycles permettant l’insertion puis l’extraction de liquides à analyser dans les canaux de la fibre, a été développé et caractérisé, démontrant ainsi la faisabilité de l’approche globale de mesure d’indices au sein des fibres microstructurées. En complément des mesures d’indice, une étude préliminaire a été réalisée afin de mettre en évidence la possibilité d’accroître la sensibilité thermique d’un réseau de Bragg à pas droits inscrit dans une fibre microstructurée, en insérant dans ses canaux un fluide dont l’indice est supérieur à une valeur ‘seuil’ fonction de la géométrie du guide. Ainsi il est possible de doubler la sensibilité thermique du réseau de Bragg, pour un profil de fibre et un indice de réfraction donné. Ainsi, la voie est désormais ouverte à toute une ingénierie de capteurs mettant en œuvre : réseaux de Bragg (droits ou en angle), fibres microstructurées optimisées et dispositifs fluidiques d’insertion ou d’extraction des liquides transducteurs ou à analyser. Les domaines d’emploi potentiel recouvrent de nombreux secteurs comme la biologie, la chimie ou l’environnement
This work lies within the scope of optical fibers sensors development based on microstructured fibres. The inherent advantages of these special fibres, resulting from the innovative technology, are due to related to the presence of air channels within the cladding. Telecommunication industry as well as instrumentation can draw profit from possibilities offered by “custom” design of this type of guide, achieved through the stack of rods and silica capillaries, each of them constituting many zones of the preform from which would be manufactured microstructured fibers. Thus, it is possible to use the interaction between the electromagnetic field of the optical wave and the liquid medium, even solidified, present in the aforementioned channels to produce transducers or active light modulators for example. Beyond, fibre design makes it possible to optimize the measurement sensitivity to the required parameters. Finally, taking advantage of Bragg grating photowritten in the fibre core adds transducing functionality through spectrally multiplexed remote measurements. This manuscript describes short-period Fiber Bragg Grating and Tilted Fiber Bragg Grating photowriting in a microstructured fiber and sensitivity study of its spectral resonance shift according to the refractive index of the medium inserted into the fiber holes, and this for several fiber designs. The principle of measurement is to follow the wavelength shift of Bragg resonance according to the refractive index of the medium inserted into the holes. Initially, microstructured fiber characterization, manufactured through the MONTE CRISTO project consortium (6-hole fiber, then 18-hole fiber) was carried out through the Fiber Bragg grating photowriting and the cross comparison between experimental and simulation results of a modal analysis. So, adding to the commercial software FEMLab (finite-elements type) a dedicated simulation tool based on the localized function method has been developed. For a given design of hole geometry, it is possible to find out the sensitivity versus refractive index of the medium inserted in the channels (sensitivities obtained, respectively with 6 and 18-hole fibers, are 4×10-3 r. I. U/ pm and 7×10-4 r. I. U/ pm, with a refractive index close to 1,33). This tool allowed us to model and design a specific microstructured fibre made up of three large channels close to the core. This design of hole geometry largely improved the interaction between the electromagnetic field and the medium inserted and in fine increased the sensitivity of the Bragg grating resonance to the refractive index (sensitivity of 3×10-5 r. I. U/ pm for a refractive index close to 1,33). In a second time, fluids with calibrated refractive index were inserted by capillarity into the fiber channels. The spectral evolution versus index of refraction of the Bragg grating photowritten in the Ge doped core microstructured fiber made it possible to determine precisely the spectral sensitivity to the refractive index. Another approach based on Tilted Fiber Bragg Grating was also investigated. This initiative (consisting in modifying the fibre profile and thus its optogeometric characteristics), as a complement to the first solution, allows to significantly increase the measurement sensitivity by considering the spectral evolution of one of the high order mode with the index of refraction. Beyond, a multi-cycle ‘reversible’ refractometric device, allowing insertion and extraction of liquids to be analyzed in the fibre channels was developed and characterized, demonstrating the feasibility of the global solution of refractive index measurements with microstructured fibers. In complement to index measurements, a preliminary study was carried out to highlight the possibility to increase the thermal sensitivity of a Fiber Bragg Grating photowritten in a microstructured fibre, while inserting into channels a fluid whose index is higher than a threshold value depending on hole geometry. As a consequence, doubling the thermal sensitivity of the Bragg grating is achievable for a fibre profile and a given refractive index. In the future the way is wide open for a new type of sensors based on Fiber Bragg gratings (or Tilted Fiber Bragg gratings), optimized microstructured fibers and fluid devices to insert or extract liquids used as transducers themselves or to be analyzed. The fields of potential application cover numerous sectors such as biology, chemistry or environment analysis

Une etude des proprietes thermoelectriques en fonction de l'epaisseur, de quelques materiaux et particulierement des semiconducteurs a faible bande interdite, a ete realisee. Les resultats obtenus ont ete appliques a l'optimisation des caracteristiques techniques des detecteurs de radiation et des thermopiles utilisant la technologie couche mince. Des modeles ont ete etablis et la stimulation de leur fonctionnement en temperature est faite par ordinateur. Ces capteurs modelises ont ete fabriques. Leur caracterisation nous fournit des resultats en accord avec la theorie. Nous suggerons des modifications a apporter aux modeles consideres, en vue de leur amelioration

Cette thèse décrit un système de détection d'obstacles qui utilise des capteurs de faibles coûts. Ces capteurs fournissent une faible quantité de données a traiter. Des capteurs infrarouges permettent le développement d'algorithmes rapides de reconstruction. Le système de détection d'obstacles faible coût est constitue de capteurs infrarouges 1d, d'un réseau embarque et de processeurs standards. Une structure algorithmique générique est utilisée pour la construction d'un modèle géométrique 2d de l'environnement perçu par les capteurs. Dans une première étape, un filtrage de signaux binaires fournis par les capteurs est opéré, elle est suivie par une phase d'extraction de primitives. L'appariement des primitives est ensuite effectue, cela permet une construction d'un modèle 2d en utilisant le principe de triangulation. La corrélation et le suivi temporel sont nécessaires pour prendre en compte les variations dynamiques de l'environnement observe. Un algorithme base sur le principe du maximum de vraisemblance est utilise pour estimer la vitesse des obstacles présents dans la scène. Les résultats des étapes précédentes sont transmis à un système expert qui analyse la configuration de l'environnement dans un but d'assistance au conducteur. Plus précisément, un algorithme original de filtrage binaire a été développé. Cet algorithme utilise un formalisme probabiliste pour représenter l'incertitude et manipule des chaînes de Markov commandées pour imposer un modèle d'évolution de la scène. Une modélisation floue des incertitudes est utilisée dans l'étape d'appariement. Des modèles flous et probabilistes sont utilisés pour représenter et manipuler les imprécisions de reconstruction

L’objectif principal de ce travail est dans un premier temps étudier l’impact des caractéristiques matérielles sur la consommation d’une transmission simple ou d’une transmission multi-sauts dans l’application des réseaux de capteurs sans fils. Nous nous intéressons plus spécifiquement aux communications en environnement intra bâtiment avec de courtes distances de transmission. Supposons un réseau comprenant des capteurs très bas coûts mais en grand nombre qui ne peuvent que capter l’information et la transmettre. Une seconde catégorie de capteurs, moins nombreux mais plus performants, sont capables de relayer l’information. Enfin, l’information est destinée à un puits qui peut être plus cher et non contraint énergétiquement. Dans ce cadre, les caractéristiques matérielles pourront évoluer entre les différents nœuds. Nous voulons voir si ces caractéristiques ont un impact sur les stratégies de transmissions multi-sauts. Notre contribution majeure est de montrer que le rendement ou le facteur de bruit des nœuds dans un système hétérogène est un paramètre important pour la sélection d’un nœud et les calculs des gains optimaux du relais. Nous étudions dans un second temps des méthodes de diversité coopérative « decode and forward » et « Amplify and forward » pour l'amélioration des performances dans le contexte de la radio impulsionnelle ultra-large bande. A cause des accès multiples, la distribution de l’interférence n'est pas gaussienne. Nous choisissons le modèle symétrique α-stable qui représente avec précision de la nature impulsive grâce à sa distribution à queue lourde. La propriété de stabilité nous permet ensuite une étude analytique des transmissions multi sauts et coopératives. Nous analysons la probabilité d’erreur dont nous obtenons des expressions semi-analytiques. Finalement, nous proposons un critère de la sélection du relais en fonction de l’effet des interférences
The main objective of this work is firstly to study the impact of material characteristics on the consumption of a direct link or a multi-hop transmission in the wireless sensor networks applications. We specifically investigate the communications environment within the building with short transmission distances. A sensors network with low cost but many who can only capture data and transmit it is assumed. A second kind of sensors, fewer but more powerful, is capable of relaying information. Finally, the information is sent to the gateway that may be more expensive and energy-unconstrained. In this context, the physical characteristics may change between the different nodes. We want to see if these factors have an impact on strategies for multi-hop transmissions. Our major contribution is to show that the efficiency or the noise of the nodes in a heterogeneous system is an important parameter for selecting a node and the calculations of optimal relay gains. We then study methods of cooperative diversity "decode and forward" and "Amplify and forward" for improved performance in the context of impulse radio ultra-wideband. Due to the multiple access, the distribution of interference is not Gaussian. We choose the symmetric α-stable model that accurately represents the impulsive nature thanks to its heavy-tailed distribution. The stability property then allows us an analytical study of multi-hop transmissions and cooperatives. We analyze the error probability and obtain semi-analytical expressions. Finally, we propose a criterion for selecting the optimal relay based on the effect of interference

L’estimation de la force générée par un muscle est importante dans les études biomécaniques et pour les applications cliniques. Puisque cette force ne peut pas être mesurée directement, le signal électromyographique de surface (SEMG), reflétant le niveau d’activation musculaire, est utilisé pour quantifier la force développée. Cependant, tous les facteurs, contrôlant une contraction isométrique, n’influencent pas la force et le SEMG simultanément. Le but de ce travail de thèse est donc de développer un modèle de simulation conjointe du SEMG et de la force, afin d’étudier la relation EMG-force. Dans ce but, nous avons d’abord développé une nouvelle méthode de simulation de la force musculaire à partir d’un modèle d’EMG existant. Le modèle complet a été testé pour le choix de la stratégie de recrutement et l’influence de la durée de la consigne. Puis, nous avons utilisé une méthode de Monte Carlo pour étudier la sensibilité du modèle aux différents paramètres physiologiques d’entrée. Deux critères existants (relations EMG-force et force-variabilité de force) ainsi qu’un nouveau critère (erreur entre la consigne de force et la force générée), ont été utilisés pour optimiser les paramètres avec une consigne de force constante. Ce nouveau critère a ensuite été utilisé avec une consigne de force variable (sinusoïdale ou triangulaire), afin d’obtenir les plages optimales des paramètres. Enfin, pour évaluer notre modèle, nous avons réalisés des expérimentations et une simulation pour le biceps. Les résultats montrent que notre modèle EMG-force est capable de simuler qualitativement les comportements réels du biceps pour les contractions isotoniques et anisotoniques
The estimation of the force generated by a muscle is important in biomechanical studies and clinical applications. As this force cannot be measured directly, the surface electromyography signal (SEMG), reflecting the level of muscle activation, is used to quantify the force developed. However, all the factors controlling an isometric contraction do not influence the force and the SEMG simultaneously. The aim of this study is to develop a simulation model of SEMG and force in order to study the EMG-force relationship. For this purpose, we first developed a new method to simulate the muscle force from an existing EMG model. We tested the complete model with two recruitment strategies and studied the influence of target force duration. Then we used a Monte Carlo method to study the sensitivity of the model to various input physiological parameters. Two existing criteria (EMG-force and force-force variability relationships) and a new criterion (error between the target force and the generated force) were used to optimize the parameters in constant target force contractions. This new criterion was then used in variable target force contractions (sinusoidal or triangular target) in order to obtain the optimum parameter ranges. Finally, to evaluate our model, we performed experiments and simulations for the biceps. The results have shown that our EMG-force model can qualitatively simulate the behaviour of the biceps for isotonic and anisotonic contractions

Ce mémoire présente la modélisation, la simulation et la conception d’un nouveau capteur de température et d’étirement à fibre optique à modulation d’intensité dont l’élément sensible constituant le transducteur, est composé d’une fibre optique multimode à saut d’indice pincée entre deux mâchoires micro-structurées. L’effet du pincement produit des perturbations locales périodiques de la géométrie et de l’indice optique des éléments constitutifs de la fibre (cœur et gaine). Pour modéliser les couplages radiatifs dus à la courte période de perturbation, nous avons choisi d’utiliser un modèle électromagnétique du couplage de modes développé initialement par Dietrich Marcuse. Cette simulation nous a permis de déterminer la sensibilité du transducteur en fonction de ses caractéristiques propres. A partir de ces résultats, nous avons choisi les paramètres pour dimensionner le capteur en fonction de l’application visée. Les premiers prototypes des mâchoires des transducteurs ont été microstructurés en créneaux de 20 microns de profondeur et de période comprise entre 50 microns et 100 microns gravés dans du métal par usinage au laser femto-seconde. Après évaluation, nous avons proposé et contribué à développer un procédé de fabrication en grande série des mâchoires par injection plastique très performant. Les tests des premiers démonstrateurs de capteur ont permis de valider les modèles de calcul et révélés une réponse expérimentale linéaire en fonction du mesurande. Nous présentons les méthodes d’étalonnage statique et dynamique que nous avons proposées pour établir les spécifications métrologiques du capteur
This manuscript presents the modeling, simulation and design of a new kind of light modulation optical fiber sensor for temperature and strain measurement. The transducer consists of a multimode fiber step index clamped between two micro-structured jaws. The clamping effect generates local periodical perturbations of both the geometry and the fiber refraction indexes (core and optical cladding). In order to compute the radiative coupling occurring when the waveguide is perturbated by a mechanical deformation of short period, we have chosen to use an electromagnetic model of modes coupling initially developed by Dietrich Marcuse. The simulation allowed us to determine the transducer sensitivity according to its specific characteristics. From these results we have chosen the parameters useful to design the sensor versus the aimed application. The first jaws prototypes of transducers have been microstructured in rectangular pattern etched in metal by femto-second laser micromachining. The elementary pattern size was of 20 micrometers of depth and the pattern layout period was ranging from 50 micrometers to 100 micrometers. After evaluation, we proposed to develop a large scale fabrication process of the jaws using plastic injection which was very efficient. The experimental tests of the first sensor prototypes allowed the validation of the computing models and showed a linear response of the sensor versus the measured physical parameter. We present the static and dynamic calibration methods that we have implemented to establish the metrological specifications of the sensor

Pour optimiser en ligne un processus de fermentation, il convient de connaître l'état physiologique des cellules responsables de la production. L'objectif de cette étude était la mise au point d'un système de fermentation automatisé, capable de contrôler la synthèse d'un produit au niveau intracellulaire par une simple mesure de bioluminescence. Le présent travail est le résultat de recherches transdisciplinaires impliquant des compétences en biologie moléculaires, fermentation, génie des procédés et modélisation. Nous avons construit un plasmide recombinant? Il contient un promoteur inductible par l'arabinose, Pbad, sous le contrôle duquel ont été ajoutés le gène lacZ codant l'enzyme modèle β-galactosidase, et les gènes nécessaires à une émission de bioluminescence sans ajout de substrat particulier (lux CDABE issus de Photorhabdus luminescens). Ce plasmide est introduit dans une souche d'Escherichia coli ne consommant pas l'arabinose (MC41000[Delta]ara), et les cellules recombinantes sont cultivées dans un multi-micro-fermenteur (MMF) équipés d'un capteur de turbidité en ligne. Nous avons élaboré un capteur de bioluminescence original, également en ligne, et nous l'avons ajouté au système de fermentation. Les conditions de culture ont été optimisées pour répondre aux objectifs d'établissement d'un premier modèle de suivi. Nous avons sélectionné un milieu minimum contenant 2 g/L de glycérol, et nous avons obtenu une corrélation entre les productions de lumière et d'enzyme. Un essai en milieu industriel donnant de hautes densités cellulaires a montré que le suivi par la mesure de bioluminescence était plus complexe, mais possible. L'objectif est de connaître la quantité de protéine recombinante présente à chaque instant dans le bioréacteur, au moyen d'un modèle la reliant à la quantité de lumière mesurée et à la biomasse. Ce modèle dont nous donnons une première ébauche permettra d'optimiser et de contrôler le processus de fermentation.

Le contrôle non-destructif (CND) par émission acoustique (EA) permet la détection de la création ou de l’évolution de défauts. Il repose sur l’utilisation d’un ou plusieurs capteurs pouvant être installés de façon permanente à l’écoute d’événements pouvant se dérouler au sein de structures de grandes dimensions. Dans le cadre du développement d’un simulateur de CND/EA, cette thèse s’intéresse à la modélisation de la mesure par un capteur d’EA d’un champ d’ondes élastiques quelconque. Une formulation exacte, puis une formulation approchée qui en dérive, sont obtenues à partir du principe de réciprocité électromécanique, de la réponse d’un capteur d’EA à une onde. On démontre que le calcul précis de ces réponses ne peut pas être effectué sous les hypothèses simplificatrices couramment faites conduisant naturellement à un modèle unidimensionnel. Au contraire, on démontre que pour les capteurs courants, du fait de leur conception visant à les rendre sensibles sur une large gamme de fréquences, les modes complexes de vibration de l’élément piézoélectrique et la propagation des ondes dans le boîtier du capteur influencent fondamentalement sa réponse. Un modèle éléments finis de capteur est proposé, validé expérimentalement et utilisé pour mener à bien des études paramétriques utiles à l’opérateur pour choisir un capteur, ou au fabriquant de capteur pour en optimiser la conception. Une représentation de la sensibilité des capteurs d’EA est proposée beaucoup plus complète que ce qui est généralement connu des capteurs. Une stratégie de simulation reposant sur la constitution d’une base de données de ces sensibilités est développée
Nondestructive testing (NDT) by acoustic emission (AE) allows the detection of the formation or the evolution of defects. It relies on the use of one or several sensors that can be permanently attached to a large structure to listen to AE events that can happen. In the framework of the development of a tool for simulating NDT/AE, this thesis aims at modeling the measurement of arbitrary elastic wave field by AE sensor. An exact formulation, then an approximate one which derives from it, are obtained from the electromechanical reciprocity principle, of the response of an AE sensor to elastic waves. It is demonstrated that the accurate calculation of these responses cannot be made under the usual simplifying hypotheses which lead naturally to one-dimensional model. Rather the opposite, it is demonstrated that for standard sensors conceived to be highly sensitive over a large bandwidth, complex vibration modes together with the sensor case influence fundamentally their response. A finite element model is proposed, experimentally validated and used to conduct parametric studies helpful for an operator choosing a sensor, for a manufacturer to optimally conceive sensors. A representation of AE sensor sensitivity is proposed, far more complete than what is usually known about sensors. A simulation strategy is developed relying on the formation of a database of sensor sensitivities

Cette thèse propose une étude approfondie de certains aspects des algorithmes de contrôle "sans capteur". Grâce aux progrès faits en électronique, ces algorithmes sont devenus ces dernières années un standard que les clients attendent de tous les variateurs de vitesse pour tous les moteurs électriques. Cependant, le contrôle "sans capteur" des moteurs électriques à basse vitesse est particulièrement difficile à cause d'une limitation théorique expliquée ici par une étude d'observabilité. L'injection de signal est une technique prometteuse pour contourner ce problème, mais ses effets demeurent mal compris. En particulier le traditionnel modèle linéaire sinusoïdal ne permet pas d'expliquer les résultats expérimentaux. Par conséquent, on propose ici une nouvelle méthode pour modéliser les moteurs électriques. Elle est nettement plus simple que les approches traditionnelles et permet de justifier rigoureusement la modélisation de la saturation dans le repère dq fictif. Les effets de l'injection de signal sont ensuite expliqués grâce à une séparation des échelles de temps. Replacée dans le contexte plus général des systèmes non-linéaires, elle s'avère être une technique permettant d'obtenir des informations supplémentaires sans ajouter de capteur. Les informations ainsi obtenues permettent théoriquement le contrôle des moteurs électriques "sans capteur" à basse vitesse, mais la mise en œuvre de cette solution pour certains types de moteurs peut demeurer compliquée à cause de contraintes industrielles. On montre aussi comment les modèles proposés peuvent être calibrés expérimentalement pour le cas du Moteur Synchrone à Reluctance et du Moteur à Induction sans charge. À cause du manque de mesures et d'effets liés à l'hystéresis dans les matériaux ferromagnétiques, on n'a malheureusement pas réussi à obtenir un modèle expliquant le comportement du Moteur à Induction en charge. Par ailleurs, grâce à la similarité entre les moteurs électriques mise en évidence par l'approche de modélisation proposée ici, on a pu concevoir une loi permettant de contrôler aussi bien un Moteur Synchrone à Reluctance que n'importe quel Moteur Synchrone à Aimants Permanents
This thesis proposes an in-depth study of some aspects of "sensorless" control algorithms for electrical machines. Over the past few years, thanks to the progress made in electronics, "sensorless" control laws became a standard expected from any variable speed drive for any electrical motor. However low-speed "sensorless" operation of electrical motors is inherently difficult, due to a theoretical limitation explained here by an observability study. Signal injection is a promising solution to circumvent this limitation, but its effects are not yet fully understood. In particular, experimental results are not explained by traditional linear sinusoidal models for electrical motors.Hence a new modeling approach for electrical motors is proposed here. It is much simpler than the usual ones and explains thoroughly why saturation can be modeled in the nonphysical dq frame. Signal injection effects are then explained using a multiple time-scale approach and, when put into the general context of nonlinear systems, it turns out to be a technique which allows to obtain more information without adding sensors. Thanks to this additional information, sensorless control of electrical motor becomes theoretically possible, even though the implementation remains challenging due to industrial constraints. Models for the Synchronous Reluctance Motor and the Induction Motor at no load are designed using the proposed approach and calibrated on experimental data but the procedure failed for the Induction Motor under load due to a lack of measurements combined to hysteresis effects. Besides, thanks to the similarities between electrical motors, underlined by the proposed modeling approach, we are able to generalize the proof of a "sensorless" control law designed for Synchronous Reluctance Motors to any kind of Permanent Magnet Synchronous Motor

Cette thèse s'intéresse à l'estimation des paramètres du mouvement d'une ou plusieurs cibles évoluant au sein d'une zone surveillée par un réseau de capteurs. Dans une première partie nous proposons de déterminer de façon exacte l'influence de paramètres d'influence du pistage à l'aide de la détermination d'une expression explicite d'une probabilité de bonne association. Nous parvenons à extraire l'influence de ces variables à l'aide de l'utilisation de méthodes numériques. Dans un deuxième temps nous nous intéressons à un type de capteurs bien particuliers. Nous supposons en effet que nous disposons de l'instant de plus grande proximité entre la cible et chaque capteur du réseau. A partir de ces données partielles, nous nous proposons de reconstruire la trajectoire de la cible. Après avoir montré que nous ne pouvions estimer conjointement la position et la vitesse de la cible, nous proposons des méthodes d'estimation du vecteur vitesse dans divers cas de trajectoire envisagés. Enfin, nous étudions dans la troisième partie de ce document le cas d'un réseau de capteurs binaires directionnels. Après une étude rapide sur l'estimation du vecteur vitesse dans le cas d'un mouvement rectiligne uniforme, nous étendons notre approche au cas ou le mouvement de la cible suivrait une marche aléatoire gaussienne, et nous proposons un nouvel algorithme permettant d'estimer conjointement les vecteurs vitesse et position. Nous proposons enfin une solution d'extension de notre algorithme au suivi multicible. Nous présentons dans chacun des scénarios des résultats de simulation illustrant les performances des méthodes proposées.