Tesi sul tema "Placement de capteurs et d'actionneurs"

Les objectifs de cette thèse sont de déterminer un modèle à la fois suffisamment précis mais numériquement exploitable pour proposer des méthodologies de placement de capteurs et d'actionneurs pour le contrôle actif de vibration dans une ligne de galvanisation. La galvanisation consiste à recouvrir un métal (dans notre étude : de l'acier) par une couche protectrice de zinc qui évite la corrosion due à l'air. L'épaisseur de cette couche doit être constante pour garantir les propriétés mécaniques et l'état de surface du produit. Dans une ligne de galvanisation, la bande d'acier en mouvement est chauffée puis plongée dans un bain de zinc liquide avant d'être essorée par des buses projetant de l'air. L'air pulsé, ainsi que la rotation des cylindres d'entrainement de la bande - entre autres - créent des vibrations qui viennent perturber l'essorage et donc la régularité du dépôt de zinc. Un contrôle actif est donc nécessaire, par exemple au moyen d'électro-aimants placés de part et d'autre de la bande d'acier en mouvement. Dans un premier temps, un modèle de comportement de la bande d'acier dans la ligne de galvanisation prenant en compte la présence et la propagation des vibrations a été obtenu par discrétisation spatiale d'une équation aux dérivées partielles. Ce modèle de type espace d'état a été validé en simulation et expérimentalement sur une ligne de galvanisation pilote d'ArcelorMittal Research à Maizières-lès-Metz. Une fois ce modèle établi, l'objectif de l'étude est la recherche du placement optimal de capteurs, pour mesurer le plus efficacement les vibrations de la bande, mais également d'actionneurs pour minimiser l'amplitude de ces vibrations par une loi de commande adaptée. Ces problèmes de placements optimaux sont au cœur des thématiques de contrôle actif des vibrations et se retrouvent dans de nombreux domaines d'application. Une méthode de placement basée sur la maximisation des Grammiens a été proposée en vue de réduire l'impact des perturbations sur le système. Différentes stratégies de contrôle ont été envisagées telles que le retour d'état observé et le retour d'état étendu observé pour améliorer les résultats en tenant compte de l'estimation des perturbations par un observateur PI (proportionnel-intégral). Des résultats de simulations et expérimentaux illustrent les résultats obtenus
The aims of the present PhD thesis are to determine a model that is both sufficiently accurate and numerically exploitable to propose optimal placement of sensors and actuators for active vibration control in a galvanizing line. A continuous hot-dip galvanizing process consists in covering a metal (here: a steel band) by a protective layer of zinc which avoids the corrosion due to the air. The thickness of this layer must be constant to guarantee the mechanical properties and surface condition of the product. In a galvanizing line, the moving steel strip is heated and then immersed in a liquid zinc bath before being wiped out by nozzles projecting air. The air flow, as well as the rotation of the driving rolls, among other things, creates vibrations affecting the wiping process and thus the regularity of the zinc deposit. Active control is therefore necessary, for example by means of electromagnets placed on either side of the moving steel strip. In a first step, a behavioral model of the steel strip taking into account the presence and propagation of vibrations was obtained by spatial discretization of a partial differential equation. This state space model was validated in simulation and experimentally on a pilot galvanizing line of ArcelorMittal Research in Maizières-lès-Metz. Once this model is established, the objective of the study is to find the optimal placement of sensors, to measure the vibrations of the strip as efficiently as possible, but also of actuators to minimize the amplitude of these vibrations by an appropriate control law. These problems of optimal placement are at the heart of the issues of active vibration control and are found in many fields of application. An optimal placement method based on Gramian maximization has been proposed in order to reduce the impact of disturbances on the system. Different control strategies have been considered such as (i) observed state feedback based on Kalman filter and LQ regulator; and (ii) extended observed state feedback to improve the results by also taking into account the disturbance estimation provided by a PI (proportional-integral) observer. Simulation and experimental results illustrate the thesis contributions

Depuis de nombreuses années des chercheurs imitent le vivant afin d'obtenir des systèmes capables de s'adapter à des environnements de plus en plus complexes. Aujourd'hui aucune des technologies classiques n'est capable de rivaliser complètement avec le fonctionnement d'un muscle. L'objectif de ce travail est de synthétiser et d'intégrer une nouvelle génération d'actionneurs-capteurs à base de réseaux interpénétrés de polymères conducteurs dans des systèmes de perceptions biomimétiques. Nous avons tout d'abord réalisé la synthèse et la caractérisation d'une nouvelle matrice hôte à base de réseaux interprétés de polymères (RIP) combinant de bonnes propriétés mécaniques du caoutchouc nitrile (NBR) et de conductivités ioniques du poly (oxyde d'éthylène). Nous avons ensuite incorporé dans cette matrice hôte un polymère conducteur électronique, le poly (3,4-éthylènedioxythiophène), par polymérisation in situ. Nous avons caractérisé les effets de différents paramètres de synthèse sur la localisation et la morphologie du polymère conducteur au sein de la matrice. Puis nous avons caractérisé les propriétés d'actionneurs et de capteurs de ces matériaux électroactifs. Enfin nous avons réalisé l'intégration de ces matériaux dans deux prototypes de systèmes de perceptions biomimétiques, le premier tactile imitant les vibrisses du rat et le deuxième visuel imitant les muscles oculomoteurs. Finalement, nous concluons que les propriétés et performances de cette nouvelle génération d'actionneurs-capteurs permettent leurs intégrations dans des systèmes de perceptions spécifiques pouvant être utilisés sur un robot mobile.

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

Ces dernières années, nous avons assisté à l'apparition des réseaux sans fil multi-sauts. Avec des capacités distinctes, des caractéristiques différentes et des applications cibles variées, nous pouvons identifier les réseaux de capteurs (WSNs) et plus récemment les réseaux de capteurs et actionneurs (WSANs). Ces derniers sont des réseaux auto-organisés et ils sont constitués d'un grand nombre de noeuds capteurs autonomes à faible ressources (capacité de calcul, de mémoire, de puissance d'émission, etc...) et un nombre moins important de noeuds actionneurs disposant généralement d'une source d'énergie abondante. Les fonctions de calcul et de communication au niveau des actionneurs peuvent donc profiter de cette richesse en énergie : par conséquent les capacités de calcul et de stockage ainsi que la puissance de transmission au niveau des actionneurs sont plus importantes. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réseaux urbains considérés par le projet ANR ARESA2 qui sont principalement des réseaux de capteurs et actionneurs hétérogènes : l'hétérogénéité est causée par la coexistence des noeuds capteurs à faibles ressources et des noeuds actionneurs riches en ressources. Ces derniers devraient être utilisés de manière différenciée par le réseau. C'est dans ce contexte que se déroule cette thèse dans laquelle nous avons étudié des algorithmes d'autoorganisations et de routage s'appuyant sur l'hétérogénéité. Au début, nous nous sommes intéressés à l'auto-organisation dans un contexte hétérogène. Se basant sur l'idée que les ressources au niveau des noeuds actionneurs doivent être exploitées afin de réduire la charge de communication au niveau des noeuds capteurs, nous avons proposé un protocole d'auto-organisation appelée Far-Legos. Far-Legos permet de profiter de la puissance d'émission des actionneurs pour apporter une information de gradient au niveau des capteurs. Les actionneurs initient et construisent une topologie logique. Cette dernière sera utilisée pour faciliter la phase de collecte de données à partir des noeuds capteurs vers les noeuds actionneurs. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux liens asymétriques causés par la présence de différents types de noeuds avec différentes portées de transmission. Ces liens asymétriques, causés par l'hétérogénéité au niveau des noeuds constituant le réseau, peuvent détériorer les performances des protocoles de routage qui ne tiennent pas compte de ce type de liens. Pour éviter la dégradation de ces protocoles de routage, nous introduisons une nouvelle métrique de calcul de gradient ou de rang. Celle-ci sera utile pour détecter et éviter les liens asymétriques au niveau de la couche réseau pour le protocole de routage RPL. Nous présentons aussi une adaptation du protocole de collecte de données basé sur Legos pour détecter et éviter ces liens asymétriques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'exploitation de ces liens asymétriques. Nous proposons ainsi un protocole de collecte de données dédiés aux réseaux hétérogènes contenant des liens asymétriques appelé AsymRP. AsymRP est un protocole de routage dédié au trafic de collecte de données basé sur une connaissance de voisinage à 2-sauts combinée avec l'utilisation des messages d'acquittements (ACKs) implicites et une technique de routage de messages ACKs explicites. Cette proposition tire profit des liens asymétriques afin d'assurer une collecte de données fiable.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réseaux urbains considérés par le projet ANR ARESA2 qui sont principalement des réseaux de capteurs et actionneurs hétérogènes : l'hétérogénéité est causée par la coexistence des noeuds capteurs à faibles ressources et des noeuds actionneurs riches en ressources. Ces derniers devraient être utilisés de manière différenciée par le réseau. C'est dans ce contexte que se déroule cette thèse dans laquelle nous avons étudié des algorithmes d'auto-organisations et de routage s'appuyant sur l'hétérogénéité. Au début, nous nous sommes intéressés à l'auto-organisation dans un contexte hétérogène. Se basant sur l'idée que les ressources au niveau des noeuds actionneurs doivent être exploitées afin de réduire la charge de communication au niveau des noeuds capteurs, nous avons proposé un protocole d'auto-organisation appelée Far-Legos. Far-Legos permet de profiter de la puissance d'émission des actionneurs pour apporter une information de gradient au niveau des capteurs. Les actionneurs initient et construisent une topologie logique. Cette dernière sera utilisée pour faciliter la phase de collecte de données à partir des noeuds capteurs vers les noeuds actionneurs. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux liens asymétriques causés par la présence de différents types de noeuds avec différentes portées de transmission. Ces liens asymétriques, causés par l'hétérogénéité au niveau des noeuds constituant le réseau, peuvent détériorer les performances des protocoles de routage qui ne tiennent pas compte de ce type de liens. Pour éviter la dégradation de ces protocoles de routage, nous introduisons une nouvelle métrique de calcul de gradient ou de rang. Celle-ci sera utile pour détecter et éviter les liens asymétriques au niveau de la couche réseau pour le protocole de routage RPL. Nous présentons aussi une adaptation du protocole de collecte de données basé sur Legos pour détecter et éviter ces liens asymétriques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'exploitation de ces liens asymétriques. Nous proposons ainsi un protocole de collecte de données dédiés aux réseaux hétérogènes contenant des liens asymétriques appelé AsymRP. AsymRP est un protocole de routage dédié au trafic de collecte de données basé sur une connaissance de voisinage à 2-sauts combinée avec l'utilisation des messages d'acquittements (ACKs) implicites et une technique de routage de messages ACKs explicites. Cette proposition tire profit des liens asymétriques afin d'assurer une collecte de données fiable.

Dans le domaine du contrôle actif des structures flexibles, l'efficacité de la loi de commande dépend beaucoup du positionnement des capteurs et des actionneurs. Dans ce travail, nous présentons un nouveau critère de positionnement de capteurs et d'actionneurs non colocalisés : celui-ci consiste à assurer que le système "structure flexible/actionneurs/capteurs" se comporte comme un système positif réel dans le domaine des basses fréquences. Le contrôle d'une plaque, munie d'un actionneur ponctuel fixe et de capteurs piézo-électriques, est d'abord étudié. Nous pouvons alors formuler notre critère comme un problème d'optimisation topologique dans la mesure où la position et la topologie des capteurs sont inconnus a priori, Des résultats théoriques essentiels pour ce problème sont montrés et nous présentons des résultats numériques. Notre méthode est ensuite étendue au cas où les capteurs et les actionneurs, tous deux piézo-électriques, sont optimisés simultanément, La dernière partie de ce travail est consacrée à la stabilisation du système. Plusieurs lois de commande ont été mises en oeuvre et les résultats numériques montrent que notre système peut être stabilisé de manière satisfaisante par des contrôleurs d'ordre peu élevé.

L'objectif de cette thèse est de proposer un périphérique tactile qui pourrait augmenter notre immersion dans un environnement virtuel en stimulant la pulpe du doigt. Ce dispositif s'inscrit dans le cadre des dispositifs haptiques. Ainsi, à partir d'une étude sur le rôle de la dynamique du toucher dans la perception de textures, nous avons proposé un dispositif tactile innovant permettant de simuler différentes textures fines. Dans cette thèse, fondamentalement pluridisciplinaire, nous avons d'abord déterminé les spécifications du cahier des charges pour obtenir un stimulateur tactile fonctionnel basé sur la génération d'un effet glissant. Après avoir identifié le phénomène responsable de cet effet glissant par vibration haute fréquence, nous avons réalisé le dimensionnement d'une plaque tactile capable de faire varier cet effet, c'est-à-dire de faire varier le coefficient de frottement perçu par l'utilisateur. Cette plaque est mise en vibration grâce à une matrice de céramiques piézoélectriques collées sur une ses faces. Ce dimensionnement a été validé par des simulations sur un logiciel d'éléments finis, puis la configuration retenue a été réalisée. Par la suite, le contrôle de la plaque vibrante nous a permis de moduler le coefficient de frottement perçu afin d'obtenir différents motifs. Dans une dernière partie, le périphérique a été évalué. Plusieurs textures crantées ont été testées afin de connaître les capacités des utilisateurs à différencier des périodes spatiales. Cette évaluation a permis de connaître les performances de ce stimulateur tactile et de comparer ses performances à celles d'une texture réelle.

Cette these traite de la modelisation et de la commande des structures flexibles. Dans un premier temps, il est presente synthetiquement les principaux concepts concernant les systemes a parametres distribues; en rappelant les problemes occasionnes par l'approximation des systemes, d'ordre infini, par un nombre fini d'equations differentielles ordinaires. Compte tenu des particularites de la representation d'etat des structures flexibles, la reduction du modele est obtenue a partir d'une mesure de l'energie communiquee en sortie par chaque mode vibratoire en reponse a une entree test. Le probleme du positionnement des capteurs et des actionneurs est considere de deux facons distinctes: une premiere approche consiste a faire le placement a partir des mesures du degre de commandabilite et d'observabilite. La deuxieme approche associe le calcul des lois de commande au probleme du placement. Dans ce cas, la mesure adoptee porte sur la solution de l'equation de riccati. Grace a des proprietes de concavite qui decoulent de l'utilisation de ces mesures, il a ete possible de mettre en uvre les procedures necessaires pour resoudre le probleme de location optimale. Pour tenir compte des variations des parametres du modele, la synthese des lois de commande est realise par des methodes de commande robuste, tout en faisant apparaitre le rapport entre les equations du type riccati modifiees et la theorie de jeux pour les strategies de nash et de stackelberg. Finalement, plusieurs exemples sont presentes pour illustrer les methodes developpees

Les travaux présentés, dans ce mémoire, concernent l'étude de la détection et de la localisation de défauts de fonctionnement de capteurs ou d'actionneurs de systèmes continus en régime dynamique. Après un rappel sur la notion de détection, nous présentons différentes approches du diagnostic en insistant plus particulièrement sur les méthodes utilisant la rebondance analytique. Un bref aperçu de la théorie de la réconciliation de données est exposée. Différentes méthodes permettant une estimation simultanée des états et des commandes (état généralisé) sont présentées dans le cas général, c'est-à-dire dans le cas où toutes les grandeurs ne sont pas nécessairement mesurées. La solution proposée donne une estimation en temps diffère, car du point de vue temps et volume de calcul, son application directe s'avère inexploitable. A partir de la formulation du problème d'estimation, nous donnons des solutions adaptées à un traitement en ligne sous deux formes. La première forme montre que l'estimation est une fonction linéaire des mesures antérieures. La seconde forme est récursive, la solution à l'instant courant est fonction de celle obtenue à l'instant précédent. Pour cette seconde forme, nous utilisons la formulation des systèmes singuliers pour l'estimation de l'état et de la commande. Ces méthodes sont comparées sur des exemples permettant de mieux cerner les avantages et les inconvénients de chacune d'entre elles pour une application au diagnostic. Nous présentons ensuite, compte tenu du choix de l'estimateur à fenêtre glissante, une stratégie de détection et de localisation de défaut de capteurs ou d'actionneurs. La sensibilité de l'estimateur vis-à-vis des incertitudes de modèle est alors abordée. Nous développons ensuite une fonction de localisation de l'élément défaillant. L'application à deux systèmes réels: un pendule inversé et un procède hydraulique, montre les bonnes qualités de notre stratégie

Cette etude est relative au controle actif des vibrations de structures formees de poutres a l'aide de capteurs et d'actionneurs piezo-electriques. Afin de modeliser le couplage electromecanique prenant en compte l'heterogeneite de la structure au niveau des actionneurs et des capteurs, les equations du mouvement et de comportement d'une poutre composite formee de n couches piezo-electriques sont developpees. A partir de ces resultats, un element fini de poutre piezo-electrique est propose. Une etude dynamique modale de la structure consideree conduit a une representation d'etat. A l'aide des outils de l'automatique, un bouclage par retour d'etat est mis en place. Differents tests numeriques sont presentes dans le cas d'une poutre, puis d'un portique. Dans le but d'ameliorer l'efficacite du controle actif, on propose une strategie d'optimisation de la position des actionneurs et des capteurs au sein de la structure. Le role des actionneurs etant d'amortir le plus rapidement possible les vibrations, on choisit de minimiser l'energie mecanique par rapport a la position des actionneurs. Les capteurs devant informer le mieux possible le systeme de commande du mouvement de la structure, leurs positions doivent maximiser l'energie de sortie. Pour resoudre ces deux problemes d'optimisation, deux approches sont envisagees : l'une continue, l'autre discrete. Les resultats presentes sont relatifs au cas de la poutre et du portique.

Simuler les procédés de production, dès leur conception, présente des avantages qui apparaissent chaque jour plus intéressants, du fait des économies engendrées : gain de temps, non immobilisation de l'outil de production, optimisation de l'investissement, etc. Les logiciels disponibles, tout performants qu'ils soient, pêchent cependant par un manque notable concernant la simulation réaliste de capteurs évolués. Cette lacune est encore plus manifeste vis-à-vis des systèmes de vision industriels, pourtant de plus en plus utilisés sur les chaînes de production pour le contrôle-qualité et/ou pour l'identification des pièces en cours d'approvisionnement ou de fabrication. C'est pour pallier cette insuffisance que nous proposons un simulateur de capteurs complexes, tels que les caméras CCD, qui permet d'obtenir des images d'objets ou de scènes virtuels. Ces images, très proches de la réalité, peuvent être alors utilisées pour simuler, par exemple, une tâche de reconnaissance de formes ou une tâche de contrôle dimensionnel ; la fonction de ce nouvel outil est absolument nécessaire pour la simulation d'un poste de contrôle-Vision et autorise la programmation hors-ligne de celui-ci. Ce résultat acquis, on constate que pour parfaire cet outil il convient de se préoccuper également du choix de la position de la caméra dans le poste de travail; choix qui n'est pas évident, car devant tenir compte des problèmes de champ de vision, de résolution, de mise au point, d'éclairage, de collision, etc. C'est pour cette raison que notre proposition associe à la simulation une méthode de placement automatique de caméra. L'ensemble de modélisation et de placement automatique de capteurs-Vision constitue un poste virtuel de Vision, qui peut valablement être intégré à un système de CAO-Robotique, afin de disposer d'un outil complet de simulation de tâches faisant appel à des robots et à des systèmes de vision. Ce module-Vision est validé par la description de deux applications, l'une dans l'optique contrôle, l'autre dans un processus d'assemblage robotisé
The simulation and the design of production procedures present many advantages: time saving, not stopping the production line, optimizing investments, etc. One of the latest limitations to the efficiency of simulation software is that there is no sophisticated means of sensor simulation. This limitation is also apparent in industrial vision systems which are used more and more in production lines for quality control and/or part identification in manufacturing or supply processes. To compensate for this inadequacy, we propose a simulator for complex sensors such as CCD cameras. This simulator would enable virtual images, equivalent to those seen by a real camera, to be used to simulate the tasks such as form recognition or dimensional control. The function of this new tool is absolutely necessary for simulation and off-line programming of a control station devoted to vision. To complete this tool, it is necessary to study the possible camera positions in the control station. This choice is not evident because it depends on resolution, depth of field, field of vision, collision, etc. For this reason, we associate to this simulation an automatic procedure for camera positioning. This association enables a virtual vision station to be created which can be integrated into a CAD/CAM-Robotic system. In this way we obtain a complete simulation tool including robots and vision systems. This vision module is validated by two applications: dimensional control and robotic assembling

Le travail présenté contribue au domaine du diagnostic de défauts. Dans ce travail, une méthode structurelle pour la conception des sous-systèmes testables est présentée. Elle permet de générer des relations de redondance analytiques automatiquement. Contrairement aux approches existantes, cette approche ne s'appuie pas sur un schéma de propagations ou d'éliminations séquentiels. Le formalisme proposé ainsi que la méthode envisagée visent d'une part à étendre les possibilités des méthodes existantes et d'autre part à en diminuer la complexité. Une nouvelle approche structurelle pour le placement de capteurs en prenant en compte des spécifications de diagnosticabilité est présentée. Cette nouvelle approche permet de trouver le meilleur placement de capteurs au sens de critères de diagnosticabilité sans nécessiter la conception préalable des relations de redondance analytique. Les différents résultats sont appliqués à la conception d'un système de diagnostic pour une installation photovoltaïque
The work presented in this PhD thesis contributes to the field of fault diagnosis. In this work, a structural method for designing testable subsystems is presented. It allows an automatic generation of analytical redundancy relations. Unlike existing approaches, this approach does not rely on sequential propagations or eliminations. The proposed formalism and method aim at firstly extending the possibility of existing methods and secondly, reducing their complexity. A new structural approach for sensor placement taking into account diagnosability specifications is presented. This new approach allows finding the best sensor placement according to the diagnosability criteria without the necessity to design analytical redundancy relations. The different results are applied to the design of a diagnostic system for a photovoltaic installation

Le travail présenté contribue au domaine du diagnostic de défauts. Dans ce travail, une méthode structurelle pour la conception des sous-systèmes testables est présentée. Elle permet de générer des relations de redondance analytiques automatiquement. Contrairement aux approches existantes, cette approche ne s'appuie pas sur un schéma de propagations ou d'éliminations séquentiels. Le formalisme proposé ainsi que la méthode envisagée visent d'une part à étendre les possibilités des méthodes existantes et d'autre part à en diminuer la complexité. Une nouvelle approche structurelle pour le placement de capteurs en prenant en compte des spécifications de diagnosticabilité est présentée. Cette nouvelle approche permet de trouver le meilleur placement de capteurs au sens de critères de diagnosticabilité sans nécessiter la conception préalable des relations de redondance analytique. Les différents résultats sont appliqués à la conception d'un système de diagnostic pour une installation photovoltaïque.

Les travaux présentés se situent dans le domaine de l'aide à la décision pour la surveillance et le diagnostic de systèmes complexes tels que les procédés chimiques. Notre travail a permis de concevoir une méthodologie permettant de placer les capteurs les plus pertinents sur un processus en vue de son diagnostic à partir des données d'historiques. Cette méthodologie est basée sur l'association de méthodes de mesure de la quantité d'information (entropie de Shannon) délivrée par des signaux issus d'un système et de la classification de données. A partir des données d'évolution temporelle des capteurs (constituant l'ensemble de tous les possibles) suite à des scénarii de défaillance (par exemple simulés sur un simulateur dynamique), il est possible d'identifier les capteurs les plus pertinents et d'obtenir un modèle de comportement du processus à un niveau d'abstraction tel qu'il soit utilisable pour le diagnostic. Une procédure pour une adaptation du modèle dans le cas de reconnaissance défauts inconnus a été aussi proposée. Des tests de faisabilité sur des cas concrets industriels ont été effectués en simulation tout d'abord en utilisant un simulateur dynamique de procédés mondialement distribué dans l'industrie : HYSYS puis sur un nouveau réacteur chimique développé par le Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse. Ces travaux rentrent dans le cadre d'un projet financé par l'Institut pour une Culture de Sécurité Industrielle (ICSI).

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réseaux urbains considérés par le projet ANR ARESA2 qui sont principalement des réseaux de capteurs et actionneurs hétérogènes : l’hétérogénéité est causée par la coexistence des noeuds capteurs à faibles ressources et des noeuds actionneurs riches en ressources. Ces derniers devraient être utilisés de manière différenciée par le réseau. C’est dans ce contexte que se déroule cette thèse dans laquelle nous avons étudié des algorithmes d’auto-organisations et de routage s’appuyant sur l’hétérogénéité. Au début, nous nous sommes intéressés à l’auto-organisation dans un contexte hétérogène. Se basant sur l’idée que les ressources au niveau des noeuds actionneurs doivent être exploitées afin de réduire la charge de communication au niveau des noeuds capteurs, nous avons proposé un protocole d’auto-organisation appelée Far-Legos. Far-Legos permet de profiter de la puissance d’émission des actionneurs pour apporter une information de gradient au niveau des capteurs. Les actionneurs initient et construisent une topologie logique. Cette dernière sera utilisée pour faciliter la phase de collecte de données à partir des noeuds capteurs vers les noeuds actionneurs. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux liens asymétriques causés par la présence de différents types de noeuds avec différentes portées de transmission. Ces liens asymétriques, causés par l’hétérogénéité au niveau des noeuds constituant le réseau, peuvent détériorer les performances des protocoles de routage qui ne tiennent pas compte de ce type de liens. Pour éviter la dégradation de ces protocoles de routage, nous introduisons une nouvelle métrique de calcul de gradient ou de rang. Celle-ci sera utile pour détecter et éviter les liens asymétriques au niveau de la couche réseau pour le protocole de routage RPL. Nous présentons aussi une adaptation du protocole de collecte de données basé sur Legos pour détecter et éviter ces liens asymétriques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l’exploitation de ces liens asymétriques. Nous proposons ainsi un protocole de collecte de données dédiés aux réseaux hétérogènes contenant des liens asymétriques appelé AsymRP. AsymRP est un protocole de routage dédié au trafic de collecte de données basé sur une connaissance de voisinage à 2-sauts combinée avec l’utilisation des messages d’acquittements (ACKs) implicites et une technique de routage de messages ACKs explicites. Cette proposition tire profit des liens asymétriques afin d’assurer une collecte de données fiable
In this thesis, we focused on urban wireless networks considered by the ANR project ARESA2. The networks considered by this project are heterogeneous networks. This heterogeneity is caused by the coexistence of sensor nodes with limited resources and actuator nodes with higher resources. Actuators nodes should be used differentially by the network. Hence designed protocols for WSANs should exploit resource-rich devices to reduce the communication burden on low power nodes. It is in this context that this thesis takes place in which we studied self-organizing and routing algorithms based on the heterogeneity. First, we are interested in self-organization protocols in a heterogeneous network. Based on the idea that resource-rich nodes must be exploited to reduce the communication load level on low-power nodes, we proposed self-organizing protocol called Far-Legos. Far-Legos uses the large transmit power of actuators to provide gradient information to sensor nodes. Actuators initiate and construct a logical topology. The nature of this logical topology is different inside and outside the transmission range of these resourceful nodes. This logical topology will be used to facilitate the data collection from sensor to actuator nodes. Second, we investigated the asymmetric links caused by the presence of heterogeneous nodes with different transmission ranges. The apparition of asymmetric links can dramatically decrease the performance of routing protocols that are not designed to support them. To prevent performance degradation of these routing protocols, we introduce a new metric for rank calculation. This metric will be useful to detect and avoid asymmetric links for RPL routing protocol. We also present an adaptation of data collection protocol based on Legos to detect and avoid these asymmetric links. Finally, we are interested in exploiting the asymmetric links present in the network. We proposed a new routing protocol for data collection in heterogeneous networks, called AsymRP. AsymRP, a convergecast routing protocol, assumes 2-hop neighborhood knowledge and uses implicit and explicit acknowledgment. It takes advantage of asymmetric links to ensure reliable data collection

Le travail de thèse présenté dans ce document traite de l'analyse de différentes propriétés liées à l'observabilité des systèmes à entrée inconnue par approche graphique. La simplicité de mise en œuvre de l'approche graphique permet de se défaire des difficultés numériques inhérentes aux approches géométrique et algébrique. Ce constat a conduit ces dernières décennies, à une série d'études structurelles basées sur l'approche graphique.
Parmi les propriétés encore non abordées graphiquement, l'observabilité forte traduit l'observabilité des variables d'état d'un système pour toute valeur d'entrée ainsi que l'observabilité conjointe de l'état et de l'entrée. Ces propriétés plus fortes que l'observabilité simple et le diagnostic nous ont paru utiles et pertinentes à étudier. En effet, les outils d'analyse développés peuvent s'avérer importants dans le cadre de la synthèse d'observateurs ou d'estimateurs d'entrées utile à la synthèse de lois de commandes tolérantes aux défauts ou robustes aux perturbations, ou encore quand il s'agit de vérifier si la propriété d'observabilité d'un système n'est pas altérée lorsqu'il est soumis à des perturbations, voire à des défauts d'amplitude trop importante pour être négligés.
Le manuscrit est structuré en trois parties. Dans la première, nous avons abordé l'analyse de différentes propriétés d'observabilité. Plus précisément, nous avons tout d'abord donné des conditions nécessaires et suffisantes d'observabilité de l'entrée et de l'état d'un système. Des conditions nécessaires et suffisantes pour l'observabilité forte d'une partie donnée des composantes de l'entrée et de l'état ont ensuite été établies. Le dernier résultat de cette partie concerne l'observabilité forte de tout l'état d'un système à entrée inconnue. Des conditions nécessaires et suffisantes ont été démontrées.
La seconde partie de cette thèse a consisté à étudier le problème du placement des capteurs afin de recouvrer des propriétés d'observabilité forte lorsque les conditions de la première partie ne sont pas vérifiées. Deux cas ont été traités. Le premier concerne la propriété d'observabilité forte d'une partie donnée de l'état. La stratégie de placement de capteurs consiste alors en une condition nécessaire permettant d'imposer qu'au moins une sortie du système soit sensible à chacune des composantes de l'état devant être fortement observables, puis en un système de relations graphiques, utilisé comme condition suffisante à ce qu'une configuration de capteurs assure l'observabilité forte des composantes de l'état choisies. Le second problème de placement de capteurs a pour objectif de rendre observables toutes les composantes de l'état. Le problème a été traité en trois étapes. Pour chacune d'elles, des conditions nécessaires et suffisantes sur le placement de capteurs ont été trouvées. Le nombre minimal de capteurs nécessaire et suffisant a aussi été déterminé. Les conditions trouvées sont fondées essentiellement sur des algorithmes classiques de la théorie des graphes.
La troisième partie traite de l'implémentation des résultats établis dans une boîte à outils dédiée à l'analyse structurelle (lisa) des systèmes linéaires et bilinéaires structurés. En premier lieu, les motivations qui ont conduit à la conception de cette boîte à outils sont exposées. La structure de lisa est ensuite présentée. Elle repose entièrement sur des algorithmes de base tels que la détermination des ensembles de successeurs et de prédécesseurs, le calcul des tailles de lien et de couplages maximaux entre deux ensembles de sommets et la caractérisation des ensembles de sommets essentiels dans des liens de taille maximale ou encore des séparateurs d'entrée et de sortie. Tous ces algorithmes ont des ordres de complexité polynomiaux. Nous avons montré comment en associant certains algorithmes de base, nous sommes arrivés à analyser l'observabilité de l'état et de l'entrée et à établir des conditions de détection et de localisation de défauts. Enfin, il est présenté des fonctions pouvant être rajoutées à lisa concernant différentes propriétés structurelles pour en faire un outil d'analyse plus complet.

L'Internet des objets (ou IdO) se traduit à l'heure actuelle par l'accroissement du nombre d'objets connectés, c'est-à-dire d'appareils possédant une identité propre et des capacités de calcul et de communication de plus en plus sophistiquées : téléphones, montres, appareils ménagers, etc. Ces objets embarquent un nombre grandissant de capteurs et d'actionneurs leur permettant de mesurer l'environnement et d'agir sur celui-ci, faisant ainsi le lien entre le monde physique et le monde virtuel. Spécifiquement, l'Internet des objets pose plusieurs problèmes, notamment du fait de sa très grande échelle, de sa nature dynamique et de l'hétérogénéité des données et des systèmes qui le composent (appareils puissants/peu puissants, fixes/mobiles, batteries/alimentations continues, etc.). Ces caractéristiques nécessitent des outils et des méthodes idoines pour la réalisation d'applications capables (i) d'extraire des informations utiles depuis les nombreuses sources de données disponibles et (ii) d'interagir aussi bien avec l'environnement, au moyen des actionneurs, qu'avec les utilisateurs, au moyen d'interfaces dédiées. Dans cette optique, nous défendons la thèse suivante : en raison de la nature continue des données (mesures physiques, évènements, etc.) et leur volume, il est important de considérer (i) les flux comme modèle de données de référence de l'Internet des objets et (ii) le traitement continu comme modèle de calcul privilégié pour transformer ces flux. En outre, étant donné les préoccupations croissantes relatives à la consommation énergétique et au respect de la vie privée, il est préférable de laisser les objets agir au plus près des utilisateurs, si possible de manière autonome, au lieu de déléguer systématiquement l'ensemble des tâches à de grandes entités extérieures telles que le cloud. À cette fin, notre principale contribution porte sur la réalisation d'un système distribué de gestion de flux de données pour l'Internet des objets. Nous réexaminons notamment deux aspects clés du génie logiciel et des systèmes distribués : les architectures de services et le déploiement. Ainsi, nous apportons des solutions (i) pour l'accès aux flux de données sous la forme de services et (ii) pour le déploiement automatique des traitements continus en fonction des caractéristiques des appareils. Ces travaux sont concrétisés sous la forme d'un intergiciel, Dioptase, spécifiquement conçu pour être exécuté directement sur les objets et les transformer en fournisseurs génériques de services de calcul et de stockage.Pour valider nos travaux et montrer la faisabilité de notre approche, nous introduisons un prototype de Dioptase dont nous évaluons les performances en pratique. De plus, nous montrons que Dioptase est une solution viable, capable de s'interfacer avec les systèmes antérieurs de capteurs et d'actionneurs déjà déployés dans l'environnement
The Internet of Things (IoT) is currently characterized by an ever-growing number of networked Things, i.e., devices which have their own identity together with advanced computation and networking capabilities: smartphones, smart watches, smart home appliances, etc. In addition, these Things are being equipped with more and more sensors and actuators that enable them to sense and act on their environment, enabling the physical world to be linked with the virtual world. Specifically, the IoT raises many challenges related to its very large scale and high dynamicity, as well as the great heterogeneity of the data and systems involved (e.g., powerful versus resource-constrained devices, mobile versus fixed devices, continuously-powered versus battery-powered devices, etc.). These challenges require new systems and techniques for developing applications that are able to (i) collect data from the numerous data sources of the IoT and (ii) interact both with the environment using the actuators, and with the users using dedicated GUIs. To this end, we defend the following thesis: given the huge volume of data continuously being produced by sensors (measurements and events), we must consider (i) data streams as the reference data model for the IoT and (ii) continuous processing as the reference computation model for processing these data streams. Moreover, knowing that privacy preservation and energy consumption are increasingly critical concerns, we claim that all the Things should be autonomous and work together in restricted areas as close as possible to the users rather than systematically shifting the computation logic into powerful servers or into the cloud. For this purpose, our main contribution can be summarized as designing and developing a distributed data stream management system for the IoT. In this context, we revisit two fundamental aspects of software engineering and distributed systems: service-oriented architecture and task deployment. We address the problems of (i) accessing data streams through services and (ii) deploying continuous processing tasks automatically, according to the characteristics of both tasks and devices. This research work lead to the development of a middleware layer called Dioptase, designed to run on the Things and abstract them as generic devices that can be dynamically assigned communication, storage and computation tasks according to their available resources. In order to validate the feasability and the relevance of our work, we implemented a prototype of Dioptase and evaluated its performance. In addition, we show that Dioptase is a realistic solution which can work in cooperation with legacy sensor and actuator networks currently deployed in the environment

Ce travail de thèse propose une approche générique pour l'estimation de l'état/ des paramètres et pour le placement de capteurs de systèmes hyperboliques non linéaires en dimension infinie. Le travail est donc divisé en deux parties principales : une partie consacrée à l'estimation optimale et une partie dédiée au placement optimal de capteurs. La méthode d'estimation optimale utilise une approche par calcul des variations et utilise la méthode des multiplicateurs de Lagrange. Ces multiplicateurs jouent un rôle important en donnant accès aux sensibilités des mesures par rapport aux variables qui doivent être estimées. Ces sensibilités, décrites par les équations adjointes, sont aussi à l'origine d'une nouvelle approche, dite méthode de l'adjoint, pour le placement optimal de capteurs. Divers exemples, construits sur la base de simulations mais également de données réelles et pour différents scénarios, sont aussi étudiées afin d'illustrer l'efficacité des approches développées. Ces exemples concernent les écoulements à surface libre (en hydrologie des bassins versants) et le trafic routier représentés par des équations aux dérivées partielles hyperboliques non linéaires
The thesis proposes a general framework for both state/parameters estimation and sensor placement in nonlinear infinite dimensional hyperbolic systems. The work is therefore divided into two main parts: a first part devoted to the optimal estimation and a second one to optimal sensor location. The estimation method is based on the calculus of variations and the use of Lagrange multipliers. The Lagrange multipliers play an important role in giving access to the sensitivities of the measurements with respect to the variables to be estimated. These sensitivities, described by the adjoint equations, are also the key idea of a new approach, so-called the adjoint-based approach, for the optimal sensor placement. Various examples, either based on some simulations with synthetic measurements or real data sets and for different scenarios, are also studied to illustrate the effectiveness of the developed approaches. Theses examples concern the overland flow systems and the traffic flow, which are both governed by nonlinear hyperbolic partial differential equations

Après une introduction à l'analyse et au contrôle des systèmes singuliers linéaires, on étudie le placement optimal de capteurs et d'actionneurs, le diagnostic robuste et le contrôle de systèmes singuliers. Le placement optimal de capteurs et d'actionneurs pour les systèmes singuliers s'appuie sur une approche énergétique. Les capteurs et/ou actionneurs sont sélectionnés pour obtenir les plus grands transferts d'énergie entre le système et son environnement. Pour cela on cherche à maximiser les grammiens généralisés. Différentes méthodes de diagnostic robuste sont proposées. Une première approche dédiée aux systèmes maillés autorise une génération de résidus décentralisée afin de détecter et de localiser les défauts de mesures. Une deuxième méthode consiste à étendre le filtrage Hinfini à l'estimation des défaillances. Troisièmement, la génération de résidus fondée sur la factorisation copremière -dont l'intérêt majeur est de pouvoir synthétiser des générateurs de résidus au moyen de filtres propres- est généralisée aux systèmes singuliers. Enfin, la synthèse, et l'utilisation pour le diagnostic robuste, des observateurs de type proportionnel-intégral sont étudiées. Deux stratégies de contrôle de systèmes singuliers sont proposées. Le contrôle multicritère permet de déterminer des correcteurs statiques ou dynamiques assurant le placement de pôles, ainsi que des contraintes de normes H2 et Hinfini sur le système en boucle fermée. Le contrôle tolérant aux fautes intègre un module de diagnostic dans le correcteur afin de localiser les fautes, et de modifier la loi de commande pour minimiser la déviation des sorties dues aux fautes et aux perturbations. Les correcteurs sont des systèmes propres, déterminés par optimisation convexe sous contraintes LMI.