Tesis sobre el tema "Algorithmes de mariage"

Nous proposons une alternative à l’approche prévalente dans les algorithmes de mariage en ligne. Basés sur le choix d’un critère de mariage, nous construisons des algorithmes dits locaux. Ces algorithmes sont locaux dans le sens où chacun des individus est tour à tour soumis au critère de mariage choisi. Ce qui nous amène à démontrer que le nombre de sommets qui finissent mariés lorsque chaque individu adopte une stratégie prédéfinie est solution d’une équation différentielle ordinaire. Grâce à cette approche nous prédisons les performances et comparons deux algorithmes/stratégies. Pour émuler l'asymptotique des graphes, nous utilisons le modèle de configuration basé sur un échantillonnage de la distribution de degré du graphe d'intérêt. Et globalement notre méthode peut être vue comme une généralisation de la Differential Equation Method de Wormald. Il est à noter que l’approche en ligne se concentre principalement sur les graphes bipartis
The present thesis constructs an alternative framework to online matching algorithms on large graphs. Using the configuration model to mimic the degree distributions of large networks, we are able to build algorithms based on local matching policies for nodes. Thus, we are allowed to predict and approximate the performances of a class of matching policies given the degree distributions of the initial network. Towards this goal, we use a generalization of the differential equation method to measure valued processes. Through-out the text, we provide simulations and a comparison to the seminal work of Karp, Vazirani and Vazirani based on the prevailing viewpoint in online bipartite matching

Le Problème du Mariage Stable (SMP) est un problème d'appariement où les participants ont des préférences à propos de leurs partenaires potentiels.L'objectif est de trouver un appariement optimal (stable dans un sens) au regard des préférences. Ce type d'appariement a de très nombreuses applications comme les affectations d'étudiants à des universités (APB ou ParcourSup), celles des internes en médecine aux hôpitaux, les choix des donneurs pour les patients en attente d'organe, la mise en rapport des taxis et de leurs clients ou encore la diffusion de contenu sur Internet.Certaines de ces applications peuvent être traitées de manière centralisée tandis que d'autres, de par leur nature distribuée et la complexité de leurs données, nécessitent un traitement différent. Par exemple, dans le contexte du Cloud-Computing, des machines virtuelles sont émulées par des machines réelles situées sur la terre entière.Un algorithme centralisé causerait des délais considérables dans les prises de décision tout en étant sensible aux défaillances, ce qui est inconcevable pour un service supposé disponible à tout moment. D'un autre côté, chaque fois que des personnes sont impliquées dans un appariement, elles ont le droit de garder privées leurs données personnelles et en particulier leur liste de préférences, qui peut contenir des informations sensibles.Par conséquent, il est souhaitable que les listes de préférence des personnes ne soient jamais transmises sur Internet, et encore moins rassemblées pour un traitement centralisé.C'est pourquoi la distribution, la tolérance aux défaillances (par auto-stabilisation) et la confidentialité sont les trois principaux mots-clés de cette thèse.Dans ce contexte, nous proposons deux solutions distribuées auto-stabilisantes. De telles solutions tolèrent les défaillances (e.g., corruptions de mémoire ou de messages) transitoires (ou de courte durée) de n'importe quels noeuds.La confidentialité des listes de préférences est garantie par les deux algorithmes que nous proposons : les listes ne sont pas partagées et seules des queries binaires et leurs réponses sont échangés.Une différence entre ces algorithmes est le modèle de communication : le premier algorithme utilise le modèle à état tandis que le second algorithme utilise le modèle à registre plus général.Dans les deux modèles, les exécutions se déroulent par pas atomiques et un démon (démon distribué inéquitable) exprime la notion d'asynchronisme.Avec ce démon, le temps de stabilisation peut être borné en terme de moves (pas locaux).Cette mesure de complexité permet d'évaluer avec précision la puissance de calcul nécessaire ou l'énergie dissipée par les exécutions de l'algorithme.Ce n'est pas le cas quand la complexité est évaluée en rounds, puisque le nombre de moves effectués dans un round n'est pas nécessairement borné.Le premier algorithme, basé sur la méthode centralisée de Ackermann et al. (SICOMP' 2011), résout le SMP en O(n⁴) moves.Il permet également de résoudre certaines variantes du SMP telles que le mariage stable avec indifférence, avec partenaires inacceptables, etc.Le point de départ du deuxième algorithme est le schéma de détection locale/correction globale de Awerbuch et al. (DA' 1994) : un algorithme non auto-stabilisant (devant être initialisé) mais avec la propriété d'être vérifiable localement peut être combiné avec un détecteur et un algorithme de réinitialisation.De cette combinaison résulte un algorithme auto-stabilisant.Malheureusement, la définition de la vérifiabilité locale de DA '1994 ne s'applique pas à notre cas (en particulier en raison du démon inéquitable).Nous proposons donc une nouvelle définition.De plus, nous concevons un algorithme de réinitialisation (reset) asynchrone, distribué et auto-stabilisant.L'algorithme résultant résout le SMP en θ(n)² moves
The Stable Marriage Problem (SMP) is a matching problem where participants have preferences over their potential partners.The objective is to find a matching that is optimal (stable in certain sens) with regard to these preferences.This type of matching has a lot of widely used applications such as the assignment of children to schools, interns to hospitals, kidney transplant patients to donors, as well as taxi scheduling or content delivery on the Internet.Some applications can be solved in a centralized way while others, due to their distributed nature and their complex data, need a different treatment.For example, when applying this problem to the Cloud-Computing context, virtual machines are emulated by real machines located all over the world.A centralized algorithm would cause unbearable delays and be sensible to failures, which is inconceivable for a service meant to be available at any time.On the other hand, when humans are to be matched or involved in a matching, they have the right to keep their personal data private and in particular their list of preferences.Consequently, the preference lists should not be transmitted on the Internet, and even less gathered for a centralized treatment.This is why, distribution, fault-tolerance (by self-stabilization) and privacy are the three main keywords of this thesis.In order to handle these challenges, we provide two distributed self-stabilizing solutions.Such solutions tolerate transient (or short-lived) failures (e.g., memory or message corruptions) of any nodes.The privacy of the preference lists is guaranteed by the two proposed algorithms: lists are not shared, only some binary queries and responses are transmitted.One of the differences between the two algorithms is the communication model: the first algorithm uses the state model while the second algorithm uses the more general register model.In both models, executions proceed in atomic steps and a daemon (distributed unfair daemon) conveys the notion of asynchrony.Under this daemon, the stabilization time can be bounded in term of moves (local computations).This complexity metrics allows to evaluate the necessary computational power or the energy consumption of the algorithm's executions.This is not the case when the stabilization time is measured in rounds since an unbounded number of moves may be executed during a round.The first algorithm, based on the centralized method of Ackermann et al. (SICOMP' 2011), solves the problem in O(n⁴) moves.It also solves some variants of SMP such as the Stable Marriage with indifference, with unacceptable partners, etc.The starting point of the second algorithm is the local detection/global correction scheme of Awerbuch et al. (DA' 1994): a non-self-stabilizing algorithm (with initialization) that satisfies the property of local checkability can be combined with a detector and a reset algorithms.The result of this composition is a self-stabilizing version of the given algorithm.Unfortunately, local checkability definition of DA '1994 does not apply to our case (in particular due to the unfair daemon).Consequently, we propose a new definition.Furthermore, we design a distributed self-stabilizing asynchronous reset algorithm. Using it, the resulting composed algorithm solves SMP in θ(n)² moves in a self-stabilizing way

Includes bibliographical references (leaves 69-74).
Includes abstract.
Long-term ecosystem changes, such as regime shifts, have occurred in several marine ecosystems worldwide. Multivariate statistical methods have been used to detect such changes, but they have to date not been applied to the southern Benguela ecosystem. A weakness of many of the methods is that they require long time series data and do not provide robust results at the end of time series. A new method known as the sequential t-test algorithm for analysing regime shifts (STARS) is applied to a set of biological state variables and environmental and anthropogenic forcing variables in the southern Benguela.

Composite materials (herein means Fibre Reinforced Plastic, FRP) are increasingly usedin the construction of marine vehicles because of their outstanding strength, stiffness and light weight properties. However, the use of FRP comes with difficulties in the design process as a result of the large number of design variables involved: composite material design, topologies and laminate schemes. All variables are related to each other leading to a high dimensional and flexible design space. It is hard to use traditional design methods in order to gain solutions for an initial design stage in a short time. Hence, this thesis deals with the presentation of a structural synthesis (optimisation framework) for plate components of composite ship structures. The framework broadly consists of an optimisation technique and structural analytical methods. To make the framework compatible with the nature of composite ship structural design problems, the Genetic Algorithm (GA) is selected as the optimisation tool because of its robustness, its ability in dealing with both continuous and discrete variables and its excellent searching for a global optimum. The typical plate types in a ship structure are the stiffened and unstiffened plates. For a stiffened plate, the combination of the grillage analysis of energy method based on Navier solution and an equivalent elastic properties approach are introduced. Using this, it is possible to produce layer by layer optimisation results for the base plate, web and crown of the stiffened plate. Unfortunately, solutions of the adopted grillage analysis do not cover the mechanical behaviour of the plate between stiffeners so the Higher-Order Shear Deformation Theory (HSDT) must be employed. This method provides accurate solutions for thin to moderately thick plates with a compromised computational time. Then stiffness, strength and stability can be considered in the design problem. In addition, to achieve the program of the structural synthesis, various computational modules are implemented according to the evaluation of composite micromechanics properties, maximum stress failure criteria and structural weight function. Then the main modules are validated with available resources. The usefulness of the program has been proved by comparing it with the optimal solutions from finite element software. Finally, many application examples of secondary and tertiary composite ship structures are presented. The optimal results prove the success of the optimisation framework. This could be evidence for further improvement to obtain a valuable structural optimisation tool.

On assiste au développement des activités humaines liées au monde océanique, mais aucune norme n'a encore émergé pour l'Internet des objets appliqué aux objets autonomes marins. Bien qu'elle possède une bande passante limitée, l'onde acoustique est le seul moyen de communiquer sur des distances importantes et elle est donc utilisée par de nombreux systèmes sous-marins pour communiquer, naviguer ou déduire des informations sur l'environnement. Cela a conduit à une forte demande de réseaux sans fil qui nécessitent à la fois une bonne efficacité spectrale et énergétique avec la faible complexité des algorithmes associés. Par conséquent, au cours de ce doctorat, nous avons proposé plusieurs solutions originales pour relever le défi de développer des techniques numériques, capables de faire face au canal acoustique.En raison d’une diversité inhérente d'espace du signal (SSD), les constellations tournées permettent de meilleures performances théoriques que les constellations conventionnelles et ce, sans détérioration spectrale. Nous passons en revue les propriétés structurelles des constellations tournées M-QAM uniformément projetées, afin de proposer une technique de demapping souple à faible complexité pour les canaux à fading. Puis, nous proposons une technique originale de réduction du PAPR pour les systèmes OFDM utilisant les constellations tournées. Afin de réduire la complexité du décodage aveugle, nous nous appuyons sur les propriétés des constellations tournées M-QAM uniformément projetées, pour concevoir un estimateur de faible complexité. De plus, pour faire face à la sélectivité du canal acoustique, nous avons proposé un turbo-détecteur parcimonieux adaptatif avec seulement quelques coefficients à mettre à jour afin de réduire la complexité. Enfin, nous avons proposé un algorithme original auto-optimisé pour lequel les tailles de pas de l'égaliseur sont mises à jour de manière adaptative et assistées par des informations souples de manière itérative, afin de répondre à l'exigence de convergence rapide et de faible erreur quadratique sur des canaux variant rapidement dans le temps
There has been recently a large development of human activities associated to the ocean world, where no standard has emerged for the Internet of Things (IoT) linked to marine autonomous objects. Though it has a limited bandwidth, the acoustic wave is the only way to communicate over average to large distances and it is thus used by many underwater systems to communicate, navigate, or infer information about the environment. This led to a high demand for wireless networks that require both spectral efficiency and energy efficiency with the associated low-complexity algorithms. Therefore, in this Ph.D. thesis, we proposed several original solutions to face this challenge.Indeed, due to the inherent Signal Space Diversity (SSD), rotated constellations allow better theoretical performance than conventional constellations with no spectral spoilage. We review the structural properties of uniformly projected rotated M-QAM constellations, so as to propose a low complexity soft demapping technique for fading channels. Then, we present an original blind technique for the reduction of the PAPR for OFDM systems using the rotated constellations with SSD. In order to reduce the complexity of blind decoding for this technique, we again rely on the properties of uniformly projected M-QAM rotated constellations to design a low-complexity estimator. Moreover, to face the selectivity of the acoustic channel, we suggest a sparse adaptive turbo detector with only a few taps to be updated in order to lower down the complexity burden. Finally, we have proposed an original self-optimized algorithm for which the step-sizes of both the equalizer and the phase estimator are updated adaptively and assisted by soft-information in an iterative manner, so as to meet the requirement of fast convergence and low MSE over time-varying channels

Dans ce travail, l’optimisation de la propulsion et de la commande des AUV (Autonomous Underwater Vehicles en anglais) est développée. Le modèle hydrodynamique de l’AUV est examiné. Egalement, son système de propulsion est étudié et des modèles pour des solutions de propulsion différentes (fixe et vectorielle) sont développés dans le cadre de la mobilité autonome.Le modèle et l’identification de la technologie de propulsion dite fixe sont basés sur un propulseur disponible commercialement. Le système de propulsion vectoriel est basé sur un prototype de propulseur magneto-couplé reconfigurable (PMCR) développé à l’IRDL-ENIB.Une méthode de commande non linéaire utilisant le modèle hydrodynamique de l’AUV est développée et son adaptation à deux systèmes de propulsion est présentée. Des analyses portant sur la commandabilité du robot et l’application de cette commande à différents systèmes sont proposées. L’optimisation globale est utilisée pour trouver des topologies propulsives et des paramètres de commande adaptés à la réalisation de tâches robotiques spécifiques. L’optimisation réalisée permet de trouver des solutions capables d’assurer le suivi de trajectoire et de minimiser la consommation énergétique du robot. L’optimisation utilise un algorithme génétique (algorithme évolutionnaire), une méthode d’optimisation stochastique appliquée ici à la conception orientée tâche de l’AUV. Les résultats de cette optimisation peuvent être utilisés comme une étape préliminaire dans la conception des AUVs, afin de donner des pistes pour améliorer les capacités de la propulsion.La technique d’optimisation est également appliquée au robot RSM (fabriqué au sein de l’IRDL-ENIB) en modifiant seulement quelques paramètres de sa topologie propulsive. Cela afin d’obtenir des configurations de propulsion adaptées au cours d’une seule et même mission aux spécificités locomotrices des tâches rencontrées : reconfiguration dynamique de la propulsion de l’AUV
In this PhD thesis, the optimization of the propulsion and control of AUVs is developed. The hydrodynamic model of the AUVs is examined. Additionally, AUV propulsion topologies are studied and models for fixed and vectorial technology are developed. The fixed technology model is based on an off the shelf device, while the modeled vectorial propulsive system is based on a magnetic coupling thruster prototype developed in IRDL (Institut de Recherche Dupuy de Lôme) at ENI Brest. A control method using the hydrodynamic model is studied, its adaptation to two AUV topologies is presented and considerations about its applicability will be discussed. The optimization is used to find suitable propulsive topologies and control parameters in order to execute given robotic tasks, speeding up the convergence and minimizing the energy consumption. This is done using a genetic algorithm, which is a stochastic optimization method used for task-based design.The results of the optimization can be used as a preliminary stage in the design process of an AUV, giving ideas for enhanced propulsive configurations. The optimization technique is also applied to an IRDL existing robot, modifying only some of the propulsive topology parameters in order to readily adapt it to different tasks, making the AUV dynamically reconfigurable

A novel video observational method for the space-time stereoscopic reconstruction of dynamic surfaces representable as graphs, such as ocean waves, is developed. Variational optimization algorithms combining image processing, computer vision and partial differential equations are designed to address the problem of the recovery of the shape of an object's surface from sequences of synchronized multi-view images. Several theoretical and numerical paths are discussed to solve the problem. The variational stereo method developed in this thesis has several advantages over existing 3-D reconstruction algorithms. Our method follows a top-down approach or object-centered philosophy in which an explicit model of the target object in the scene is devised and then related to image measurements. The key advantages of our method are the coherence (smoothness) of the reconstructed surface caused by a coherent object-centered design, the robustness to noise due to a generative model of the observed images, the ability to handle surfaces with smooth textures where other methods typically fail to provide a solution, and the higher resolution achieved due to a suitable graph representation of the object's surface. The method provides competitive results with respect to existing variational reconstruction algorithms. However, our method is based upon a simplified but complete physical model of the scene that allows the reconstruction process to include physical properties of the object's surface that are otherwise difficult to take into account with existing reconstruction algorithms. Some initial steps are taken toward incorporating the physics of ocean waves in the stereo reconstruction process. The developed method is applied to empirical data of ocean waves collected at an off-shore oceanographic platform located off the coast of Crimea, Ukraine. An empirically-based physical model founded upon current ocean engineering standards is used to validate the results. Our findings suggest that this remote sensing observational method has a broad impact on off-shore engineering to enrich the understanding of sea states, enabling improved design of off-shore structures. The exploration of ways to incorporate dynamical properties, such as the wave equation, in the reconstruction process is discussed for future research.

Fossil fuel is a rare commodity and the combustion of this fuel results in negative environmental effects. This paper evaluates and validates the electronics needed to run intelligent algorithms to lower the fuel consumption for commercial vessels. This is done by integrating advanced fuel saving functions into an electronic device that controls the fuel injection of large diesel engines, as known as a diesel engine governor. The control system is classified as a safety critical system. This means that the electronics needs to be designed for fail safe operation. To allow for future research and development, the platform needs flexibility in respect to hardware reconfiguration and software changes, i.e. this is the basis for a system that allows for hardware-software co-design. For efficient installation and easy commissioning, the system shall allow for auto-calibration combined with programmable jumper selections to attain a cost effective solution. The computation of the fuel saving algorithm require accurate data to build a model of the vessels motions. This is achieved by integrating state of the art sensors and a multitude of communication interfaces. Among other things gyroscopes contra accelerometers where evaluated to find the best solution in respect to cost and performance. This design replace the current product DEGO III. The new product requires the same functionality and shall allow for more functions. Focus has been spent on communication, methods of accruing sensor data and more computation speed. In creating a new generation of a product there are tasks like selecting components, questions pertaining to layout of the printed circuit board and an evaluation of supply chains. The manufacturing aspects are considered to rationalize production and testing.
Fossila bränslen är en dyrbar råvara och förbränningen av detta bränsle leder till negativa miljöeffekter. Detta papper utvärderar och verifierar elektroniken som behövs för att beräkna intelligenta algoritmer som minskar bränsle konsumtionen för kommersiella fartyg. Detta görs genom att sammanfoga avancerade funktioner i en och samma elektroniska enhet som kontrollerar bränsle insprutningen på stora diesel motorer, denna elektronik är känd som en varvtals regulator. Kontroll systemet är klassificerat som ett säkerhetskritiskt system. Detta betyder att elektroniken måste utformas för att vara felsäker. För att tillåta framtida forskning och utveckling behöver plattformen vara flexibel. Den ska tillåta konfiguration av hårdvara och mjukvara ändringar. Samverkan mellan hårdvara och mjukvara. För effektiv installation samt drifttagning, måste systemet vara automat-kalibrerande och utrustat med programmerbara byglingar som möjliggör en kostnadseffektiv lösning. Beräkningen av bränsle optimeringen behöver en detaljerad modell av fartygets rörelse. Detta möjliggörs genom att integrera moderna sensorer och en mängd olika kommunikationsmedier. Bland annat så utvärderades gyroskop kontra accelerometrar för att hitta den bästa lösningen i förhållande till kostnad och kvalitet. Denna design ersätter den nuvarande produkten DEGO III. Den nya produkten behöver samma funktionalitet samt en mängd nya funktioner. Fokus har varit kommunikation, metoder för att samla sensordata och ökad beräknings kraft. När en ny generation av en produkt ska utvecklas finns uppgifter så som att välja komponenter, frågor gällande mönsterkorts layout och en utvärdering av leverantörs källor. Tillverkningen av prototypen inkluderar utvärdering av produktions metoder för att effektivisera tillverkning och verifiering.

La recherche développée dans cette thèse propose une méthodologie pour faciliter la recherche d'un site favorable à I'installation d'un parc d'énergie marine, ainsi qu'un ensemble de solutions techniques appropriées au site lui-même et aux contraintes économiques. Dans le but de simplifier les processus de décisions, une approche multicritère est proposée. La méthode développée intègre un système d'information géographique, une méthode d'analyse multicritère et un algorithme d'optimisation. Cette stratégie est appliquée dans le cadre d'un projet d'implantation d'un parc d'hydroliennes. Trois critères sont utilisés : I'acceptation sociale, l'énergie produite et le coût global du projet.Le premier critère à modéliser est I'acceptation sociale qui permet de discrétiser spatialement la zone d'étude. Cette modélisation vise une segmentation de I'espace maritime suivant son potentiel à réduire les conflits. L'agrégation des différentes contraintes spatiales est obtenue en utilisant la méthode Electre III. Des modèles de coût et de production énergétique ont été ensuite intégrés en prenant en compte la possibilité de combiner plusieurs technologies. Les sites d'installations proposés sont définis par I'intersection de la carte d'acceptabilité avec les cartes relatives aux contraintes géographiques intervenant dans I'estimation du coût de l'énergie produite. La technologie utilisée, les principaux paramètres de dimensionnement des machines et les caractéristiques géographiques des sites d'installation permettent l'évaluation des deux derniers critères. Pour chaque site d'implantation, les machines offrant le meilleur compromis coût/ énergie produite sont identifiées grâce à un algorithme génétique. La méthode d'analyse multicritères Electre III est également appliquée dans le processus de décision final incluant les trois critères. Un classement des différentes régions de I'espace maritime, auxquelles une machine optimisée est associée, est obtenu. Ce classement est adapté à la vision du problème des décideurs grâce aux possibilités de paramétrage des différents critères dans Electre
The research developed in this thesis introduces a methodological approach whose objective is to facilitate the search of a favorable site for the installation of a marine energy converter park in the maritime domain. In order to efficiently install a marine energy farm in a suitable region, two main objectives are considered. The first one is to identify the best location for a given technology, and the second one aims is to find the optimal farm configuration and the most adequate technologies for a given region.The introduced methodology is based on a combination of Geographic Information Systems (GIS), multi-criteria analysis (MCA) and an optimization algorithm. Three main criteria are considered in the approach: the global cost of the project, quantity of energy produced and social acceptance. The social acceptance criterion is evaluated by the MCA. The MCA retained is Electre III. The research develops a combination of Electre and GIS analysis that takes into account the conflicting nature of the different spatial constraints. The geographical dimension is taken into account thanks to a grid-oriented structural representation in which each elementary region is ranked according to the potentialities and the conflicts that may arise. The approach is complemented by the application of a genetic algorithm whose objective is to select the technical options for each spatial subdivision in order to optimize the criteria of cost and produced energy by the converters. The last step of the methodology applies Electre again to provide a decision-aid support. The whole approach generates a potential classification of the different sub-regions of the maritime space considered, according to the different technologies considered, and this by summarizing the three main criteria. Overall the method provides a decision-aid system based on the flexibility offered by the Electre parameters that can be used by both engineers and decisionmakers when studying the potentiality offered by the development of marine energy converters

Les dunes marines sont de grandes structures sédimentaires qui, ensemble, couvrent de larges zones appelées champs de dunes. Des dunes ont été découvertes dans tous les océans, de la côte jusqu'aux talus continentaux. Leur forme et mobilité sont des témoins du lien étroit qui existe entre le transport sédimentaire, l'hydrodynamique (courants marins) et la topographie du fond. L'étude des dunes est intéressante scientifiquement parlant, mais elle est également motivée par des enjeux économiques et environnementaux. Les dunes peuvent être étudiées de deux manières : La modélisation et l'analyse de données de terrain (granulométrie, courantométrie, données sismiques, données bathymétriques). Ces deux approches sont très différentes mais complémentaires. Avec l'amélioration des données Sondeur Multi-Faisceaux (SMF), il est maintenant possible de visualiser la morphologie des dunes et de suivre leur évolution de manière plus détaillée. Plusieurs méthodes automatiques d'analyse de la morphologie et de la dynamique des dunes ont été développées pour analyser les Modèles Numériques de Terrain (MNTs) construits à partir de ces données SMF. Pourtant, aucun ne permet d'estimer les valeurs de descripteurs morphologiques et dynamiques pour chaque dune. L'analyse et l'évaluation de ces descripteurs restent régionales avec le découpage des MNTs en régions rectangulaires. Seul un traitement manuel permet d'estimer ces descripteurs pour chaque dune. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes automatiques permettant de quanti er la morphologie et la dynamique de chaque dune. Pour ce faire, une représentation des données SMF sous forme d'une tessellation triangulaire a été préférée au classique MNT régulier. Tout d'abord, les dunes doivent être extraites de la topographie du fond marin. Un algorithme par accroissement de régions avec adaptation de l'échelle d'analyse, issu de la géomorphométrie est proposé. Les crêtes de dunes sont d'abord extraites en combinant un algorithme de simplification de tessellations avec un algorithme d'extraction de lignes de crête. La résolution de la tessellation est adaptée par l'algorithme de simplification afin de faciliter l'extraction des lignes de crête. Les lignes de crête sont des objets bien définis en géométrie différentielle. Leur extraction s'appuie sur l'interprétation de cette définition appliquée à des modèles discrets du fond (tessellations). Les crêtes servent d'embryons à l'algorithme d'extraction des dunes. L'estimation des paramètres morphologiques des dunes (longueur, largeur, hauteur, etc.) découle de l'extraction automatique des dunes. L'utilisation d'une méthode de recalage non rigide (isométrique) pour la quantification de la dynamique est discutée. Des tessellations représentant la topographie d'un même champ de dunes à différents moments sont analysées par l'algorithme d'extraction des dunes. Ensuite, une dune est associée à une dune d'une autre tessellation qui lui correspond (même dune à un autre instant). La dynamique de chaque dune est quantifiée à partir des résultats de l'algorithme de recalage : les transformations permettant d'aligner différentes représentations d'une dune
Marine dunes are large sedimentary mounds often organized in dunefields. Theyhave been discovered in oceans all around the globe, from continental rises to nearshore areas. These mobile seafloor structures reflect the unique and complex relationship between the sediment, the seafloor topography and the hydrodynamics (currents). Dunes are not only interesting at a scientific level. In fact, their study is also motivated by economic, safety and environmental reasons. The study of dunes can be divided into two complementary approaches: Modelling and analysis of in situ data (granulometry, current, bathymetric data).The increased quality of MultiBeam EchoSounder (MBES) data allows scientists to monitor and visualize the complexity of, both, dune morphology and dynamics. Au-tomatic methods to characterize dune morphology and dynamics using Digital TerrainModels (DTMs) have already been proposed. But, none does it at the dune scale. Mor-phological and dynamical descriptors are estimated for patches of the dunefield. Today, the evaluation of such descriptors for each dune can only be achieved manually.The objective of this thesis is to design automatic algorithms for the quantification of dune morphology and dynamics. A representation of MBES data as triangular meshes has been preferred to the usual gridded DTMs. The first stage consists of delineating dunes in the seafloor. A scale adaptative, region growing algorithm based on geomorphometry is proposed. The combination of mesh implification and crest extraction algorithms enables to accurately recover dune crest lines. The mesh simplification facilitates the crest extraction by adapting the mesh resolution. Crest extraction is based on the discrete interpretation of the definition of crest lines in differential geometry. The crests are, then, used as seed regions by the dune extraction algorithm

Inflation is one of the most important macroeconomic variables. It is vital that policy makers receive accurate forecasts of inflation so that they can adjust their monetary policy to attain stability in the economy which has been shown to lead to economic growth. The purpose of this study is to model inflation and evaluate if applying the Kalman filter to SARIMA models lead to higher forecast accuracy compared to just using the SARIMA model. The Box-Jenkins approach to SARIMA modelling is used to obtain well-fitted SARIMA models and then to use a subset of observations to estimate a SARIMA model on which the Kalman filter is applied for the rest of the observations. These models are identified and then estimated with the use of monthly inflation for Luxembourg, Mexico, Portugal and Switzerland with the target to use them for forecasting. The accuracy of the forecasts are then evaluated with the error measures mean squared error (MSE), mean average deviation (MAD), mean average percentage error (MAPE) and the statistic Theil's U. For all countries these measures indicate that the Kalman filtered model yield more accurate forecasts. The significance of these differences are then evaluated with the Diebold-Mariano test for which only the difference in forecast accuracy of Swiss inflation is proven significant. Thus, applying the Kalman filter to SARIMA models with the target to obtain forecasts of monthly inflation seem to lead to higher or at least not lower predictive accuracy for the monthly inflation of these countries.

Pour faire face au réchauffement climatique, une transition énergétique de grande ampleur est impérative. Pour les pays disposant de vastes zones maritimes, comme la France, les Energies Marines Renouvelables (EMRs) peuvent constituer une part significative d’énergie à bas carbone. Les EMRs peuvent être produites à partir de la houle, du vent, des gradients de salinité… Dans cette thèse, nous nous focalisons sur l’énergie des courants de marée et leur exploitation par les hydroliennes. Cette technologie est aujourd’hui en phase pré-industrielle.Dans ce travail de thèse, un outil d’aide à la décision destiné à l’optimisation de l’architecture des parcs d’hydroliennes est développé. Cet outil nommé OPTIFARM tient compte de l’hydrodynamique du site, des coûts d’investissement et des opérations de maintenance, des pertes d’énergie de production dues aux effets de sillage ainsi que des pertes d’énergies dans le réseau électrique. L’outil permet de déterminer de manière optimale le nombre et les positions des hydroliennes et des sous-stations électriques offshores ainsi que la topologie de raccordement électrique en AC. OPTIFARM est basé sur un algorithme génétique et un algorithme d’optimisation par essaim particulaire. La méthode d'optimisation développée est appliquée à deux sites hydroliens français : le Raz-Blanchard (situé entre l'île d'Aurigny et le Cap de la Hague) et le passage du Fromveur (situé en mer d'Iroise) qui représentent respectivement le premier et le deuxième plus grand gisement hydrolien en France. Les résultats montrent que le coût de production de l'énergie diffère considérablement d'un site à l'autre et qu'il dépend fortement de la taille du parc
Renewable Energies (MREs) can contribute significantly to the energy mix. MREs can be produced from different sources, among them tidal energy – the focus of this work – has aroused major interest from industrialists and decision-makers.In this thesis, a decision support tool for the optimization of the architecture of tidal farms is developed. The optimization tool, named OPTIFARM, takes into account the hydrodynamics of the site, the investment and maintenance costs, the loss of production caused by the wake effect and the energy loss in the electrical network. The tool allows determining the optimal number and positions of tidal turbines and offshore substations in the farm as well as the optimal AC electrical connection topology of the tidal farm network. The optimization tool relies on a genetic and a particle swarm optimization algorithms. OPTIFARM is applied to two French tidal energy sites: the Alderney Race located between the Alderney Island and Cap de la Hague, and the Fromveur Strait located in the sea of Iroise. Those sites represent respectively the first and the second greatest tidal potential in France. The results show that the energy production cost considerably differs from one site to another and it strongly depends on the size of the farm

Dans cette thèse, nous nous intéressons au système d’identification automatique spatial lequel est dédié à la surveillancemaritime par satellite. Ce système couvre une zone bien plus large que le système standard à terre correspondant àplusieurs cellules traditionnelles ce qui peut entraîner des risques de collision des données envoyées par des navireslocalisés dans des cellules différentes et reçues au niveau de l’antenne du satellite. Nous présentons différentes approchesafin de répondre au problème de collision considéré. Elles ne reposent pas toujours sur les mêmes hypothèses en ce quiconcerne les signaux reçus, et ne s’appliquent donc pas toutes dans les mêmes contextes (nombre de capteurs utilisés,mode semi-supervisé avec utilisation de trames d’apprentissage et information a priori ou mode aveugle, problèmes liés àla synchronisation des signaux, etc...).Dans un premier temps, nous proposons des méthodes permettant la séparation/dé-collision des messages en modèle surdéterminé(plus de capteurs que de messages). Elles sont fondées sur des algorithmes de décompositions matriciellesconjointes combinés à des détecteurs de points temps-fréquence (retard-fréquence Doppler) particuliers permettant laconstruction d’ensembles de matrices devant être (bloc) ou zéro (bloc) diagonalisées conjointement. En ce qui concerneles algorithmes de décompositions matricielles conjointes, nous proposons quatre nouveaux algorithmes de blocdiagonalisation conjointe (de même que leur version à pas optimal) fondés respectivement sur des algorithmesd’optimisation de type gradient conjugué, gradient conjugué pré-conditionné, Levenberg-Marquardt et Quasi-Newton. Lecalcul exact du gradient matriciel complexe et des matrices Hessiennes complexes est mené. Nous introduisonségalement un nouveau problème dénommé zéro-bloc diagonalisation conjointe non-unitaire lequel généralise le problèmedésormais classique de la zéro-diagonalisation conjointe non-unitaire. Il implique le choix d’une fonction de coût adaptéeet à nouveau le calcul de quantités telles que gradient matriciel complexe et les matrices Hessiennes complexes. Nousproposons ensuite trois nouveaux algorithmes à pas optimal fondés sur des algorithmes d’optimisation de type gradientconjugué, gradient conjugué pré-conditionné et Levenberg-Marquardt.Finalement, nous terminons par des approches à base de techniques de détection multi-utilisateurs conjointe susceptiblesde fonctionner en contexte sous-déterminé dans lequel nous ne disposons plus que d’un seul capteur recevantsimultanément plusieurs signaux sources. Nous commençons par développer une première approche par déflationconsistant à supprimer successivement les interférences. Nous proposons ensuite un deuxième mode opératoire fondéquant à lui sur l’estimateur du maximum de vraisemblance conjoint qui est une variante de l’algorithme de VITERBI
This PHD thesis concerns the spatial automatic identification system dedicated to marine surveillance by satellite. Thissystem covers a larger area than the traditional system corresponding to several satellite cells. In such a system, there arerisks of collision of the messages sent by vessels located in different cells and received at the antenna of the samesatellite. We present different approaches to address the considered problem. They are not always based on the sameassumptions regarding the received signals and are not all applied in the same contexts (they depend on the number ofused sensors, semi-supervised mode with use of training sequences and a priori information versus blind mode, problemswith synchronization of signals, etc.). Firstly, we develop several approaches for the source separation/de-collision in theover-determined case (more sensors than messages) using joint matrix decomposition algorithms combined withdetectors of particular time-frequency (delay-Doppler frequency) points to build matrix sets to be joint (block) or zero(block) diagonalized. Concerning joint matrix decomposition algorithms, four new joint block-diagonalization algorithms(with optimal step-size) are introduced based respectively on conjugate gradient, preconditioned conjugate gradient,Levenberg-Marquardt and Quasi-Newton optimization schemes. Secondly, a new problem called non-unitary joint zeroblockdiagonalization is introduced. It encompasses the classical joint zero diagonalization problem. It involves thechoice of a well-chosen cost function and the calculation of quantities such as the complex gradient matrix and thecomplex Hessian matrices. We have therefore proposed three new algorithms (and their optimal step-size version) basedrespectively on conjugate gradient, preconditioned conjugate gradient and Levenberg-Marquardt optimization schemes.Finally, we suggest other approaches based on multi-user joint detection techniques in an underdetermined context wherewe have only one sensor receiving simultaneously several signals. First, we have developed an approach by deflationbased on a successive interferences cancelation technique. Then, we have proposed a second method based on the jointmaximum likelihood sequence estimator which is a variant of the VITERBI algorithm

L’objectif de ces travaux de thèse est de proposer des approches bayésiennes “physiquement informées” pour l’estimation de directions d’arrivée de sources acoustiques sous-marines dans un milieu océanique fluctuant. Dans un premier temps nous verrons donc comment décrire ces fluctuations comme perturbation locale de la célérité du milieu pour ensuite décrire leur impact sur la propagation d’une onde et la mesure de celle-ci. Ce faisant nous pourrons décrire la dégradation subie par le signal, motivant la création d’un modèle statistique pour décrire cette perturbation. Après un état de l’art sur les méthodes d’estimation des directions d’arrivées (DOA), tout d’abord en milieu constant, puis en milieu incertain, nous définirons une modélisation de ces fluctuations sous forme d’un bruit de phase structuré selon une distribution gaussienne multivariée. Nous verrons que ce choix nous rapproche du modèle théorique de structure défini dans le premier chapitre. Cette modélisation nous permet alors de proposer la méthode paSAMP, algorithme d’Approximate Message Passing, inspirée des méthodes de reconstruction de phase et se révélant plus robuste au bruit additif, ainsi qu’au bruit de phase structuré, que les méthodes d’estimation des DOA classiques. Dans un deuxième temps, nous proposerons de réviser notre modélisation statistique et de considérer un bruit de phase distribuée selon une loi de Von Mises multivariée. Cette distribution permet une modélisation plus fidèle des bruits de phase. Considérant ce nouveau modèle, nous dériverons deux nouvelles méthodes : VitAMin et VistaBEM, respectivement extensions de paSAMP et paVBEM, déjà présent dans la littérature et reposant sur une autre approximation variationnelle bayésienne. Les premiers résultats, réalisés sur des données synthétiques considérant un modèle plus simple de VonMises unidimensionnel, s’avèrent prometteurs quant à la bonne intégration des modèles considérés et ainsi à leur robustesse au bruit de phase distribué selon ce modèle. Pour finir nous verrons que par le traitement de données réelles, il nous est possible d’extraire les mêmes grandeurs caractéristiques que celles décrites par le modèle théorique, mais également d’identifier certaines ondes internes spécifiques. Ceci à des fins de caractérisation rapide des fluctuations du milieu par méthode passive ou encore pour une initialisation informée des algorithmes proposés
The purpose of these works is to propose new "physically informed" bayesian algorithms for DOA estimationin presence of random fluctuations due to the presence of internal waves in the propagation medium. First we will seehow to describe these fluctuations as a local perturbation of the celerity of the medium and then the impact of such waveson a propagated signal. In doing so, we are able to observe the corruption of this signal and to propose a statistical modelof this perturbation.After a state of the art of DOA estimation techniques in both constant an uncertain media, we will propose a modelizationof the fluctuations as a multiplicative phase noise following a multivariate gaussian distribution. Very close to thetheoretical model, this distribution allows us to develop the paSAMP algorithm, an Approximate Message Passingtechnique inspired form phase retrieval litterature which integrates this multiplicative phase noise model. In order to getcloser to the theoretical model, we propose to upgrade the phase noise prior using a multivariate Von Mises prior,allowing us to propose new bayesian methods for DOA estimation such as the VitAMin and the VistaBEM algorithms asextensions of resp. the paSAMP and the paVBEM algorithms. The first results on synthetic measurement considering aunivariate Von Mises phase noise seems are promising regarding the robustness of these algorithms to this new noisemodel.To conclude, we will see with the processing of real data from the ALMA campaign that it is possible to retrieve quantitiesfrom the theoretical model through signal statistics. Moreover, these quantities allow us to identify known phenomenon inthe propagation medium with only passive measurement. Such knowledge can then be use for tomography or as "smartinitialization" of the different algorithms

La tomographie acoustique oceanique s'est developpee depuis une quinzaine d'annees en apparaissant comme un moyen jusque-la inexistant d'observer la dynamique des oceans sur des espaces de grandes echelles (100, 1000 km) et sur de longues periodes (1 mois, 1 an). Mais le principe de faisabilite de la methode est encore au cur du probleme surtout pour les zones experimentees par les laboratoires francais et europeens. Les resultats experimentaux ont remis en cause les procedes classiques de traitement du signal. Les instruments et la chaine de pretraitement ont fait l'objet d'une etude complete. Nous mettons en evidence les proprietes de la reponse impulsionnelle instrumentale et l'impact du doppler sur le systeme de mesure des temps de propagation des trajets multiples. Les proprietes spatiales du doppler et la sensibilite des signaux utilises en font une grandeur qui peut etre maintenant exploitee sous la forme d'une antenne a ouverture synthetique. Les methodes avancees de traitement du signal necessaires pour estimer les temps de propagation des trajets multiples et pour les identifier aux trajectoires predites par un modele acoustique sont formalisees avec les outils statistiques de decision. L'estimation bayesienne de temps de retard est analysee en detail et les domaines ou elle ameliore la precision des estimateurs sont donnes. Un nouveau concept, resolvant le probleme de l'identification, est propose. Il utilise d'une maniere fondamentale une information d'origine oceanique et un modele acoustique de trace de rayons. Les algorithmes qui en decoulent permettent d'identifier statistiquement les trajets acoustiques instables ou non resolus. Tous les concepts proposes sont valides sur des donnees experimentales

Marine craft at sea are affected by environmental disturbances including long-term ocean currents and relatively higher frequency wave disturbances. These disturbances impact on vessels resulting in wave-induced motion which reduces the performance of motion control systems and impacts on the safety of crew and cargo. This thesis investigates parameter estimation techniques for the online estimation of wave-induced motion models and platform control of marine craft in the presence of environmental disturbances.

L'etude porte sur la resolution de problemes de moindres carres non lineaires rencontres dans le domaine des ecoulements oceaniques a grande echelle. L'originalite de ce travail reside dans l'approche qui est faite par la methode du controle optimal plutot que par une technique statistique. Cette methode consiste a minimiser une fonctionnelle correspondant au probleme de moindre carre etudie, le minimum de cette optimisation etant une solution du probleme. Lors des applications numeriques, le gradient de cette fonctionnelle n'est pas calcule par differences finies mais a l'aide du modele adjoint. La premiere etude de cette these concerne l'estimation des conditions initiales manquantes de modeles oceaniques tels que ceux de saint-venant, stokes et boussinesq a l'aide de donnees partielles sur l'etat du systeme. Cette etude theorique faite essentiellement en lineaire est suivie d'une application reelle, l'initialisation d'un modele shallow water non lineaire avec des donnees d'altimetrie du satellite geosat. La troisieme etude traite de l'initialisation d'un modele non lineaire de boussinesq quasi stationnaire avec des donnees de temperature et de salinite uniquement. Cette etude theorique est suivie d'une experience numerique d'initialisation d'un modele operationnel de simulation oceanique tridimensionnelle a l'aide de donnees in situ de temperature et de climatologie de temperature et de salinite. Les resultats theoriques partiels ainsi que les experiences numeriques montrent que la methode s'applique de maniere satisfaisante et qu'elle pourra etre utilisee de maniere operationnelle ainsi qu'en mode recherche pour ameliorer notre vision de l'ocean et parfaire sa description

The Belgian Coastal Zone (BCZ) in the Southern Bight of the North Sea is a highly dynamic and optically complex area. This is due to high non-algal particles (NAP) and coloured dissolved organic matter (CDOM) content which in spring adds together with undesirable blooms of the haptophyte Phaeocystis globosa. There is a need for improving the algorithms for chlorophyll a (chl a) retrieval in these highly turbid waters and for developing algorithms for species detection in order to attempt to create an early warning bloom system. This information will contribute to the knowledge of the extent and magnitude of the P. globosa bloom in Belgian waters. In this study, pure cultures of the main taxa present in the BCZ, diatoms and P. globosa, were combined with field measurements of light absorption of total particles, phytoplankton and dissolved material, pigment determination and phytoplankton counts to address the main objectives. Sampling was performed during 8 cruises covering winter, spring, summer and late summer, and along nearshore-offshore gradients from 2003 to 2006.

The area is characterised by a high spatio-temporal variability of IOPs due to the high dynamics of the area in terms of currents, salinity gradients and biological production. During spring the presence of P. globosa modulates the IOPs across all the area, the particle absorption is significantly higher than summer and there is no significant coast-offshore variability for phytoplankton and CDOM.

The design of chl a retrieval algorithms assumes negligible absorption of NAP and CDOM in the near infrared (NIR) and the use of a fixed value of specific phytoplankton absorption. It is shown that neglecting the NAP and CDOM absorption in the NIR will have a significant overestimation impact in retrieval of chl a. On the other hand, the specific phytoplankton absorption was found to be highly variable (0.015 „b 0.011 m2 mg chl a-1). Both results will affect directly the retrieved chl a. The spatial variability of CDOM was significant varying between 0.20-1.31 m-1 in the marine area and between 1.81-4.29 m-1 in the Scheldt estuary. CDOM was found to be related to salinity with conservative mixing within the Scheldt estuary and during some seasons in the BCZ, however deviations from conservative mixing suggest other inputs to the CDOM pool. Analyses of the spectral slope of the CDOM absorption curve revealed two main CDOM pools in the area, an allochthonous one delivered by the Scheldt estuary and an autochthonous one associated with the phytoplankton spring bloom decomposition. Algorithms for CDOM retrieval will be affected if the variability in the relation between CDOM and salinity is not taken into account.

The optical characterisation of diatoms and P. globosa from the BCZ in pure cultures revealed that the main differences in the phytoplankton absorption spectra were found at 467 and 500 nm corresponding to the absorption of the pigments chlorophyll c3 (chl c3) characteristic of P. globosa and fucoxanthin, respectively. Accordingly, both the absorption at 467 nm and the ratio 500/467 nm were successfully used to discriminate the two taxa in cultures and field samples. This latter indicator was not preserved in the reflectance signal due to degradation of the signal when passing from absorption to reflectance, and thus could not be used for algorithm development. The spectral feature at 467 nm was later used as the basis for the development of a flag-type algorithm to detect chl c3 using either absorption or water-leaving reflectance data. Also, the correlation between the algorithm¡¦s retrieved chl c3 and P. globosa cell number allowed the quantification of the bloom. The main findings of this thesis highlight the importance of the IOPs characterisation for the improvement and development of ocean colour retrieval algorithms in these highly complex waters.

Doctorat en Sciences
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La thèse est motivée par une étude de cas intéressante liée à l’évaluation du risque nucléaire. Le cas d’étude consiste à évaluer l’impact d’un accident nucléaire survenu dans le milieu marin. Ce problème comporte des caractéristiques spatiales, différents enjeux économiques et environnementaux, des connaissances incomplètes sur les potentiels acteurs et un nombre élevé de scénarios d’accident possibles. Le cas d’étude a été résolu en utilisant différentes techniques d’analyse décisionnelle telles que la comparaison des loteries et les outils MCDA (Multiple Criteria Decision Analysis).Une nouvelle méthode de classification ordinale, nommée Dynamic-R, est née de cette thèse, visant à fournir une notation complète et convaincante. La méthode développée a fourni des résultats intéressants au cas d’étude et des propriétés théoriques très intéressantes qui sont présenté dans les chapitres 6 et 7 de ce manuscrit
The thesis is motivated by an interesting case study related to environmental risk assessment. The case study problem consists on assessing the impact of a nuclear accident taking place in the marine environment. This problem is characterized by spatial characteristics, different assets characterizing the spatial area, incomplete knowledge about the possible stakeholders, and a high number of possible accident scenarios. A first solution of the case study problem was proposed where different decision analysis techniques were used such as lotteries comparison, and MCDA (Multiple Criteria Decision Analysis) tools. A new MCDA rating method, named Dynamic-R, was born from this thesis, aiming at providing a complete and convincing rating. The developed method provided interesting results to the case study, and very interesting theoretical properties that will be presented in chapters 6 and 7 of this manuscript

Large-scale bed features are often encountered in coastal waters, and include sandbanks and spoil heaps. The morphodynamic development of such features involves complicated nonlinear interactions between the flow hydrodynamics, sediment transport, and bed profile. Numerical modelling of the morphodynamic evolution and migration of large-scale bed features is necessary in order to understand their long-term behaviour in response to changing environmental conditions. This thesis describes detailed measurements of the morphodynamics of sand mounds in unidirectional and oscillatory (tidal) flows, undertaken at the U.K. Coastal Research Facility (UKCRF). High quality data were collected, including water velocities, water levels and overhead images. The parameters tested are: three types of mound shape (circular and elliptical in plan shape, and Gaussian, cosine and triangular in cross-section); underlying fixed or mobile bed conditions; and initial crest height (submerged, surface-touching and surface-piercing). Peak flow velocities are about 0.5 m/s, the sand median grain size is 0.454 mm, and transport occurring mostly as bedload. When analysing the data, the bed contours are determined by digitising the shoreline at different water levels. From these plots, the volume, height, and centroid position of the mound are calculated. A large-scale fit method, based on a Gaussian function has been used to separate small-scale ripples from the large-scale bed structure during the evolution of an isolated sand mound or spoil heap. The bed profile after the ripples are removed is comparable to typical predictions by shallow-flow numerical solvers. The UKCRF experiments investigated the morphodynamic response of a bed mound to hydrodynamic forcing: shape changes, migration rates, volume decay and sediment transport rates. The measured migration rate and decay of a submerged sand mound in the UKCRF are found to be in satisfactory agreement with results from various theoretical models, such as the analytical solution derived by De Vriend. Numerical predictions of mound evolution by a commercial code, PISCES, are also presented for a fully submerged sand mound; the bed evolution is reasonably similar to that observed in the UKCRF. The data provided as a result of the research reported in this thesis provide insight into the behaviour of sand mounds in steady and unsteady flows at laboratory scale, and should also be useful for benchmark (validation) purposes to numerical modellers of large-scale morphodynamics.

Le but de cette thèse est de contribuer à la perception sous-marine pour des applications de robotique grâce à un champ électrique. Nous proposons de nouvelles méthodes pour l’inspection, la localisation et l’estimation de forme d’un objet ellipsoïdal en utilisant un capteur inspiré des poissons faiblement électriques. Premièrement, nous montrons que l’objet peut être détecté et que son matériau et sa position par rapport à l’axe du capteur peuvent être discriminés en utilisant de simples détections de seuils sur les courants mesurés. Ensuite, nous proposons l’implémentation successive de trois lois de contrôle réactives permettant au capteur de se diriger vers l’objet et d’effectuer une révolution autour de celui-ci en suivant ses frontières. Puis, nous utilisons l’algorithme MUSIC afin de localiser le centre de l’objet. Enfin, les paramètres géométriques de l’objet et son orientation sont estimés grâce à une méthode d’optimisation basée sur les moindres carrés et sur l’inversion du modèle analytique du tenseur de polarisation d’un objet ellipsoïdal. Nous montrons que ces algorithmes fonctionnent en conditions expérimentales. Pour les algorithmes de localisation et d’estimation de forme, des techniques impliquant des déplacements du capteur sont proposées, afin de réduire significativement les imprécisions dues aux écarts entre le modèle et les mesures de courant
The aim of this thesis is to contribute to the underwater perception for robotics applications using an electric field. We propose new methods for the inspection, the localization and the shape estimation of an ellipsoidal object using a sensor inspired by the weakly electric fish. Firstly, we show that the object can be detected and its material and position relative to the sensor axis discriminated, using simple threshold detections on the measured currents. Then, we propose the successive implementations of three reactive control laws allowing the sensor to head for the object and revolve around it by following its boundaries. After that, we use the MUSIC algorithm in order to localize the object’s center. Finally, the geometrical parameters of the object and its orientation are estimated thanks to an optimization algorithm based on the least squares method and the inversion of the analytical model of the polarization tensor of an ellipsoidal object. We show that these algorithms can be experimentally implemented. For the localization and the shape estimation algorithms, some additional techniques involving sensor movements are proposed in order to significantly reduce the imprecisions due to the gap between the model and the actual currents’ measurements

En milieu sous-marin, les mosaïques d'images collectées par un véhicule en déplacement permettent d'obtenir des cartes visuelles d'une zone d'intérêt. La trajectoire estimée du véhicule par simple intégration des vecteurs vitesse présente une dérive qui se répercute dans la mosaïque (en particulier lorsque le véhicule recoupe sa propre trajectoire). Le travail de cette thèse a consisté à estimer de la façon la plus précise la trajectoire du véhicule à partir de mesures de cap et de vitesse et d'une séquence d'images, en tenant compte des lieux de recoupement (ou points de rendez-vous). Nous estimons dans un premier temps ces couples d'instants par appariement d'images, puis les introduisons dans l'algorithme de localisation du véhicule. Dans un deuxième temps, la mosaïque est reconstruite. La méthodologie proposée ici devrait permettre de peaufiner encore la cartographie dans la mesure où les variances des paramètres de mouvement estimés par les images seules sont disponibles. Dans ce cas, une fusion des deux trajectoires est réalisable. Si ce n'est pas le cas, la cartographie visuelle est finalement améliorée au moyen de techniques de déformation d'images.

In this Thesis a new Optimal control-based algorithm is presented, FLOP is part of a new class of algorithms the group of Mechatronic and Vehicle Dynamic Lab of Sapienza is developing under the name of Variational Feedback Controllers (VFC). The proposed method starts from classical optimal variational principles, usually part of the Pontryagin’s or Bellman’s methods, but it provides the user with the possibility to implement a feedback control, even in the presence of nonlinearities. In fact, even though Pontryagin approach provide the best solution for the considered system, it has an engineering weakness, since the identified solution is a feedforward control law. The control program form of the solution presents an engineering weakness, that is they use only one single information on the system state: the initial condition. This approach would be natural if the system’s model is not affected by any error, the state of the system is perfectly known, and all the environment forces are known in advance. Under these conditions, the system response for any future time depends only on the initial information provided by the initial condition. However, engineering practice and real world meet a different scenario. Models of the controlled process have some degree of approximation, because the real dynamics is only roughly represented by the estimated differential equations, and the environment external disturbance is generally unknown. In this context, use of measurements by sensors is of great value and feedback control strategies use the valuable support of measurements. Variation Feedback Control is aimed at using the power of variational functional calculus to state a well posed optimality principle, but using the information coming from sensors, integrating in this way the available information contained into initial conditions, the only one used in the context of control programs, providing a more reliable controlled system. This chance is obtained by changing the optimality principle used in the classical approach. FLOP approach, respect to classical nonlinear controls, such as Sliding Mode, Lyapunov and feedback linearization controls, presents a great advantage because of the chance of a more flexible specification of the objective function. In this work the FLOP algorithm is applied to define new techniques for Guidance Navigation and Control (GN&C) of complex dynamic systems. Autonomy requires as a main task to be able to self-perceive and define the best way to reach the desired part of the state space, in which the considered system moves by applying different strategies and modification of the applied algorithms to perform the task, whatever the considered dynamic system. Model based control techniques such as LQR, SDRE and MPC have the advantage of being aware of the system dynamics, but in general they present some drawbacks, in fact LQR and SDRE algorithms require linear dynamics or a linearized form of the real dynamics, as well as limitations in terms of penalty function, while MPC, in their nonlinear formulation namely NMPC, can deal with nonlinear dynamics and strong constraints, moreover they can introduce strong constraints for the system state as well as for the control actuation, the major drawback of these techniques is that the online optimization process requires a huge computational effort especially when the dynamics of the system is very complicated, or the system presents an high number of degrees of freedom, moreover time for convergence is strictly connected to the convexification of the considered cost function that has to be minimized, especially in presence of constraints in terms of the state and or of the control. The present technique is applied in complex engineering applications, the autonomous car, an autonomous marine craft for rescue purposes, rocket landing problem, and finally to the control of a micro-magnetic robot, actuated by a Magnetic Resonance Imaging (MRI) for non-invasive surgery. will be discussed, this research projects are part of the activities developed by the group of Mechatronic and Vehicle Dynamic Lab of Sapienza.

This thesis aims to solve the mathematical inverse problem of characterizing sea waves based on the responses obtained from a marine vessel sailing under certain sea conditions. By researching this problem the thesis contributes to the marine industry by improving products that are using ocean behavior for controlling ship's dynamics. Knowledge about the current state of the sea, such as the wave frequency and height, is important for navigation, control, and for the safety of a vessel. This information can be retrieved from specialized weather reports. However, such information is not at all time possible to obtain during a voyage, and if so usually comes with a certain delay. Therefore this thesis seeks solutions that can estimate on-line the waves' state using methods in the field of Artificial Intelligence. The specific investigation methods are Transfer Functions augmented with Genetic Algorithm, Artificial Neural Networks and Case-Based Reasoning. These methods have been configured and validated using the n-fold cross validation method. All the methods have been tested with an actual implementation. The algorithms have been trained with data acquired from a marine simulation program developed in Simulink. The methods have also been trained and tested using monitored data acquired from an actual ship sailing on the Baltic Sea as well as wave data obtained from a buoy located nearby the vessel's route. The proposed methods have been compared with state-of-the art reports in order evaluate the novelty of the research and its potential applications in industry. The results in this thesis show that the proposed methods can in fact be used for solving the inverse problem. It was also found that among the investigated methods it is the Transfer Function augmented with Genetic Algorithm which yields best results. This Master Thesis is conducted under the Master of Engineering Program in Robotics at Mälardalens högskola in Västerås, Sweden. The thesis was proposed by Q-TAGG R&D AB in Västerås, Sweden, a company which specializes in marine vessel dynamics research.

Seafloor compliance is a non-intrusive geophysical method sensitive to the shear modulus of the sediments below the seafloor. A compliance analysis requires the computation of the frequency dependent transfer function between the vertical stress, produced at the seafloor by the ultra low frequency passive source-infra-gravity waves, and the resulting displacement, related to velocity through the frequency. The displacement of the ocean floor is dependent on the elastic structure of the sediments and the compliance function is tuned to different depths, i.e., a change in the elastic parameters at a given depth is sensed by the compliance function at a particular frequency. In a gas hydrate system, the magnitude of the stiffness is a measure of the quantity of gas hydrates present. Gas hydrates contain immense stores of greenhouse gases making them relevant to climate change science, and represent an important potential alternative source of energy. Bullseye Vent is a gas hydrate system located in an area that has been intensively studied for over 2 decades and research results suggest that this system is evolving over time. A partnership with NEPTUNE Canada allowed for the investigation of this possible evolution. This thesis describes a compliance experiment configured for NEPTUNE Canada’s seafloor observatory and its failure. It also describes the use of 203 days of simultaneously logged pressure and velocity time-series data, measured by a Scripps differential pressure gauge, and a Güralp CMG-1T broadband seismometer on NEPTUNE Canada’s seismic station, respectively, to evaluate variations in sediment stiffness near Bullseye. The evaluation resulted in a (- 4.49 x10-3± 3.52 x 10-3) % change of the transfer function of 3rd October, 2010 and represents a 2.88% decrease in the stiffness of the sediments over the period. This thesis also outlines a new algorithm for calculating the static compliance of isotropic layered sediments.