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Soutenance de thèse de Diane MORNAS (équipe SIMS)

Diane Mornas, doctorante au sein de l’équipe SIMS, soutiendra sa thèse intitulée « Modélisation paramétrique de l’hyperémie fonctionnelle en IRMf ASL comme un mélange de sources » / « Parametric modelling of functional hyperaemia in fMRI ASL as a mixture of sources »

jeudi 1er juillet 2021 à 14h, à l’Ecole Centrale de Nantes (si les conditions le permettent).

Jury :
– Directeur de thèse : Jérôme Idier (Directeur de Recherche CNRS, LS2N, Nantes)
– Co-encadrant : Clément Huneau (Maître de conférences, Université de Nantes, LS2N, Nantes)
– Rapporteurs : Jean Daunizeau (Chargé de Recherche INSERM, Institut du Cerveau, Paris) ; Jean-François Giovannelli (Professeur des Universités, Université de Bordeaux, IMS, Bordeaux)
– Autres membres : Sylvie Lorthois (Directrice de Recherche CNRS, IMFT, Toulouse) ; Mélanie Pélégrini-Issac (Ingénieure de Recherche INSERM, LIB, Paris)

Résumé : L’activité neuronale engendre par vasodilatation des petits vaisseaux sanguins cérébraux une augmentation de volume et de débit sanguin cérébral. C’est le phénomène de l’hyperémie fonctionnelle qui est induit par le couplage neurovasculaire. L’hyperémie fonctionnelle est directement observable avec la technique d’imagerie d’IRMf ASL.
Une altération de l’hyperémie fonctionnelle a été observée dans certaines maladies neurodégénératives comme l’artériopathie CADASIL.
L’objectif de cette thèse est de proposer une modélisation de l’hyperémie fonctionnelle mesurée dans un voxel d’IRMf ASL ainsi qu’une méthode adaptée à son identification. Nous proposons le modèle paramétrique Fast-Slow. Il modélise une réponse en débit à une stimulation neuronale comme étant induite par deux mécanismes vasodilatateurs « rapide » et « lent », temporellement et spatialement distincts. Ce modèle dépend de paramètres dynamiques caractérisant la forme des réponses des deux mécanismes par région cérébrale et de paramètres caractérisant la contribution des deux mécanismes par voxel. Dans un premier temps, nous avons élaboré et validé plusieurs stratégies d’estimation adaptées au problème d’identification du modèle paramétrique à partir de données simulées de débit relatif. Dans un second temps, à partir de la meilleure stratégie nous avons validé l’utilisation du modèle sur des données réelles d’IRMf ASL mesurées chez des patients CADASIL et des sujets Contrôles dans le but de différencier les données de ces deux groupes. Le modèle Fast-Slow permet aussi de construire des cartes de distributions spatiales des paramètres voxéliques. Cette thèse montre que notre modèle permet d’extraire des informations spatiales et temporelles à partir des données IRMf ASL dans le but d’améliorer la compréhension du couplage neurovasculaire.

Mots-clés : Couplage neurovasculaire, IRMf ASL, débit sanguin cérébral, modélisation, identification paramétrique

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Abstract: Neural activity leads to an increase in cerebral blood volume and flow by vasodilatation of the small cerebral blood vessels. This is the phenomenon of functional hyperaemia, which is induced by neurovascular coupling. Functional hyperaemia is directly measurable with the ASL fMRI imaging technique.
Impaired functional hyperemia has been observed in some neurodegenerative diseases such as CADASIL arteriopathy.
The aim of this thesis is to propose a model of the functional hyperaemia measured in an ASL fMRI voxel and a suitable method to its identification. We propose the Fast-Slow parametric model. It models a flow response to neuronal stimulation as being induced by two temporally and spatially distinct « fast » and « slow » vasodilatory mechanisms. This model depends on dynamic parameters characterising the shape of the response for each mechanism per brain region and on parameters characterising the contribution of the two mechanisms per voxel. In a first step, we developed and validated several estimation strategies adapted to the problem of identifying the parametric model from simulated relative flow data. In a second step, based on the best strategy, we validated the use of the model on real ASL fMRI data measured in CADASIL patients and Control subjects in order to differentiate the data of these two groups. The Fast-Slow model also allows the construction of maps of spatial distributions of voxel parameters. This thesis shows that our model allows the extraction of spatial and temporal information from ASL fMRI data in order to improve the understanding of neurovascular coupling.

Keywords: Neurovascular coupling, ASL fMRI, cerebral blood flow, modeling, parametric identification

Soutenance d’HDR d’Audrey QUEUDET (équipe STR)

Audrey Queudet, Maître de conférences au sein de l’équipe STR, soutiendra son Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) intitulée « Synchronisation et autonomie énergétique des systèmes temps réel embarqués » / « Synchronization and energy autonomy of embedded real-time systems »

lundi 7 juin 2021 à 10h (CET) en hybride depuis l’amphi du bâtiment 34 sur le site FST.
Elle sera retransmise en direct à l’adresse suivante : https://live.lifesizecloud.com/extension/5627660

Jury :
Maryline Chetto, Professeur des Universités LS2N / Université de Nantes — Présidente
Daniel Chillet, Professeur des Universités IRISA Rennes / ENSSAT — Rapporteur
Alfons Crespo, Professeur des Universités, Escuela Técnica Superior de Ingeniera Informatica de Valencia — Examinateur
Laurent George, Professeur des Universités LIGM / ESIEE Paris — Rapporteur
Pascal Richard, Professeur des Universités LIAS / IUT de Poitiers — Rapporteur
Liliana Cucu-Grosjean, Chargée de Recherche INRIA Paris — Examinatrice

Lien vers le manuscrit : https://uncloud.univ-nantes.fr/index.php/s/kZrFCXRfPCoZbWN

Résumé (du manuscrit) :

Les travaux présentés dans ce document s’articulent selon deux axes de recherche principaux : (i) la synchronisation d’applications temps réel multicœur, et (ii) l’autonomie énergétique des systèmes temps réel embarqués. Ces problématiques sont abordées du point de vue de l’ordonnancement en prenant en compte plusieurs types de contraintes : des contraintes temporelles, des contraintes de partage de ressources, des contraintes de qualité de service (QoS), et des contraintes d’énergie.

Gérer efficacement les accès concurrents à la mémoire dans un contexte temps réel multicœur se révèle complexe. Le verrouillage systématique peut réduire le parallélisme de la plate-forme d’exécution et engendrer par là-même une baisse significative des performances. Forts de ce constat, nous avons donc étudié l’adaptation des mémoires transactionnelles (mécanismes de synchronisation non-bloquant) aux systèmes temps réel multicœur. Au travers d’une étude expérimentale, nous avons comparé les performances de plusieurs mémoires transactionnelles afin de déterminer les facteurs clés (ex : système d’exploitation, politique d’ordonnancement, allocateur mémoire) influant sur la gigue d’exécution des transactions, gigue pouvant impacter directement le respect des contraintes temporelles des tâches dans un système temps réel. Nous avons ensuite proposé une mémoire transactionnelle logicielle temps réel hard, la STM-HRT, permettant de garantir la progression de toutes les transactions du système. Une analyse fonctionnelle et temporelle de la STM-HRT nous a permis de valider le mécanisme de synchronisation non bloquant proposé.

Les systèmes embarqués de nouvelle génération tels que les nœuds de capteurs sans fil se sont multipliés ces dernières années. Pour nombre de ces systèmes, l’autonomie énergétique est une problématique capitale. La technologie du energy harvesting consistant à capter l’énergie dans l’environnement pour alimenter un système, permet en particulier de doter ces systèmes embarqués aux ressources contraintes, d’une capacité d’autosuffisance énergétique. L’informatique “intelligente” embarquée au sein de ces systèmes possède très souvent des exigences temps réel au niveau des traitements logiciels. Il convient alors de garantir le fonctionnement perpétuel du système en gérant conjointement deux types de contraintes : le temps et l’énergie. C’est précisément l’objet de nos contributions sur cette thématique, en considérant le problème du point de vue de l’ordonnancement des tâches applicatives sur le processeur. Nous avons tout d’abord mis en évidence l’inefficacité des ordonnanceurs temps réel “classiques” tels que EDF, incapable à s’accommoder des fluctuations de l’énergie d’alimentation. Nous avons cependant montré qu’il reste le meilleur ordonnanceur non-oisif dans le contexte du energy harvesting et qu’il constitue le meilleur choix d’intégration pour un système ne pouvant disposer d’une estimation prédictive de l’énergie exploitable. Nos travaux ont ensuite consisté en l’identification de quelques-unes propriétés clés d’un ordonnanceur dans le contexte du energy harvesting. Puis, nous avons contribué au problème de la faisabilité d’un ensemble de tâches temps réel à contraintes strictes dans ce même contexte, par la proposition d’un nouveau test, robuste vis-à-vis de la puissance de la source d’énergie. Les contributions présentées par la suite visent à apporter des solutions adaptées aux situations de surcharge temporaire de traitement et/ou de consommation énergétique dont un système peut souffrir. Sur la base d’un nouveau modèle de tâches intégrant des contraintes de QoS, nous avons proposé de nouveaux ordonnanceurs contrôlant notamment le nombre et l’identité des jobs de tâches abandonnés en cas de surcharge. Nous avons enfin proposé un test de faisabilité nécessaire intégrant conjointement les contraintes de QoS et d’énergie.

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Abstract (of the manuscript):

The work presented in this document addresses two main research concerns: (i) the synchronization of multicore real-time applications, and (ii) the energy autonomy of embedded real-time systems. These problems are approached from a scheduling point of view by taking into account several types of constraints: temporal constraints, resource sharing constraints, quality of service (QoS) constraints, and energy constraints.

Efficiently managing concurrent memory access in a multicore real-time context is complex. Systematic locking can reduce the parallelism of the execution platform and thus lead to a significant performance loss. Based on this observation, we have studied the adaptation of transactional memories (non-blocking synchronization mechanisms) to multicore real-time systems. Through an experimental study, we compared the performance of several transactional memories in order to determine the key factors (e.g. operating system, scheduling policy, memory allocator) impacting the execution jitter of transactions, jitter that can directly impact the respect of the temporal constraints of tasks in a real-time system. We then proposed a hard real-time software transactional memory, called STM-HRT, which guarantees the progress of all transactions in the system. A functional and temporal analysis of the STM-HRT allowed us to validate the proposed non-blocking synchronization mechanism.

New generation embedded systems such as wireless sensor nodes have been proliferating in recent years. For many of these systems, energy autonomy is a key issue. The technology of energy harvesting, which consists of capturing energy from the environment to power a system, makes it possible in particular to provide these resource-constrained embedded systems with the capacity for energy self-sufficiency. The intelligence embedded in these systems has very often real-time requirements in terms of software processing. It is then necessary to guarantee the perpetual operation of the system by jointly managing two types of constraints: time and energy. This is precisely the purpose of our contributions on this topic, by considering the problem from the point of view of the scheduling of tasks on the processor. We first highlighted the inefficiency of “classical” real-time schedulers such as EDF, which are unable to cope with fluctuations in the supply energy. However, we have shown that it remains the best non-idling scheduler in the context of energy harvesting and that it is the best choice of integration for a system that cannot have a predictive estimate of the exploitable energy. Our work then consisted in identifying some key properties of a scheduler in the energy harvesting context. Then, we contributed to the problem of the feasibility of a set hard real-time tasks in this same context, by proposing a new test which is robust with respect to the power of the energy source. The contributions presented right after aim at providing solutions adapted to situations of transient processing and/or energy consumption overload that a system may suffer from. Based on a new task model integrating QoS constraints, we have proposed new schedulers controlling in particular the number and identity of task jobs skipped in case of overload. Finally, we proposed a necessary feasibility test integrating both QoS and energy constraints.

Soutenance de thèse de Ziwei XU (équipe DUKe)

Ziwei XU, doctorante au sein de l’équipe DUKe, soutiendra sa thèse intitulée « Améliorer l’LDA pour l’apprentissage de l’ontologie » / « Enhancing LDA for Ontology Learning »

jeudi 3 juin 2021 à 9h à Polytech. Streaming sur Zoom : https://univ-nantes-fr.zoom.us/j/96043899700?pwd=K24yd0pJeUxRK21HN0hPR0lnZGx3Zz09
(Meeting ID: 960 4389 9700 / Passcode: 783794)

Jury :
– Directeur de thèse : Fabrice GUILLET Professeur des universités, Polytech Nantes, Université de Nantes
– Co-dir. de thèse : Mounira HARZALLAH Maitre de conférences-HdR, IUT QLIO, Université de Nantes
– Rapporteurs : Hedi KARRAY Maitre de conférences-HdR, INP-ENIT, Tarbes, Université de Toulouse ; Julien VELCIN Professeur des universités, Université de Lyon 2
– Examinateurs : Hedi KARRAY Maitre de conférences-HdR, INP-ENIT, Tarbes, Université de Toulouse ; Julien VELCIN Professeur des universités, Université de Lyon 2 ; Giuseppe BERIO Professeur des universités, Université de Bretagne sud, Vannes ; Ryutaro ICHISE Associate Professor, National Institute of Informatics, Tokyo.

Résumé : L’information de masse pose de nombreux défis à l’interprétation humaine. L’apprentissage d’une ontologie aide (semi-) automatiquement les humains à comprendre et à organiser les données sans difficulté. Latent Dirichlet Allocation (LDA) est une méthode probabiliste typique pour aider les machines à interpréter des documents textuels. Cette thèse vise à améliorer l’utilité de la LDA pour conceptualiser des termes en vue de l’apprentissage d’une ontologie, où des termes similaires sont regroupés en fonction des concepts de base prédéfinis. Nous avons exploré le cadre classique du regroupement de termes et étudié les impacts de regroupement des techniques de représentation des termes. En comparaison, nous avons proposé la stratégie de mise en grappes sur les LDA, où les techniques d’intégration des connaissances préalables sont appliquées pour semi-superviser LDA pour les grappes les plus satisfaisantes. De plus, nous avons construit la structure taxonomique de l’ontologie, en appliquant en interne les cadres de sous-catégorisation sur les phrases nominatives et en bénéficiant en externe des bases de connaissances. Les résultats de l’expérience ont montré que notre stratégie de regroupement basée sur les LDA a été plus performante que la majorité des travaux de regroupement dans le cadre classique. Notre approche optimale d’intégration des connaissances préalables a dépassé les performances des LDA de base et seeded LDA, mais a pris du retard par rapport aux z-label LDA. Cette thèse suggère que le regroupement sur les LDA pourrait contribuer à anticiper les conceptualisations des termes pour l’apprentissage de l’ontologie.

Mots-clés : apprentissage de l’ontologie, LDA, regroupement de termes, base de connaissances, ancrage des connaissances préalables

Abstract: The mass information nowadays brings many challenges to human interpretation. Ontology is used to represent knowledge by giving information a well-defined meaning. Learning an ontology (semi-)automatically supports humans to understand and organize data without difficulty. Latent Dirichlet Allocation(LDA), is a typical probabilistic based method to help machines interpret text documents. This dissertation aims to enhance LDA’s utilities of conceptualizing terms towards ontology learning, where similar terms are clustered to the predefined core concepts. We explored the classic workflow of term clustering and studied the clustering impacts of the terms representation techniques. Comparatively, we proposed the LDA based clustering strategy, where the prior knowledge embedding techniques are applied to semi-supervise the LDA for the more satisfying clusters. In addition, we built up the taxonomic structure of the ontology, by internally applying the subcategorization frames over noun phrases and externally benefitting from the knowledge bases. The experiment results showed that our proposed LDA based clustering strategy outperformed the majority of the clustering works in the classic workflow. Our optimal prior knowledge embedding approach exceeded the performance of basic LDA and Seeded LDA but dropped behind the Z-label LDA. This dissertation suggests that the LDA based clustering strategy could contribute to the anticipating term conceptualizations for ontology learning.

Keywords: ontology learning, LDA, term clustering, knowledge base, prior knowledge embedding

Soutenance de thèse de Guillaume MICHEL (équipe ReV)

Guillaume MICHEL, doctorant au sein de l‘équipe ReV soutiendra sa thèse intitulée « Etude d’un robot d’assistance pour la chirurgie endoscopique otologique et sinusienne » / « Study of an assistance robot for endoscopic otological and sinus surgery »

mercredi 7 juillet 2021 à 10h dans l’amphi S sur le site de Centrale Nantes.

Jury :
– Directeur de thèse : Damien CHABLAT
– Co-encadrant : Philippe BORDURE (Professeur des universités – Praticien Hospitalier, CHU de Nantes)
– Rapporteurs : Philippe POIGNET (Professeur des universités, Directeur du LIRMM, Montpellier) ; Valérie FRANCO VIDAL (Professeure des universités – Praticien Hospitalier, CHU de Bordeaux)
– Autres membres : Caroline CAO (Professeure des Universités, LS2N) ; Med Amine LARIBI (Maître de Conférences HDR, Institut Pprime, Université de Poitiers) ; Laurence NOUAILLE (Maître de Conférences, PRISME, Université d’Orléans)

Résumé :
La chirurgie endoscopique de l’oreille et des sinus permet de favoriser des voies mini-invasives et de visualiser des zones difficiles à atteindre. Elles ne sont cependant pas toujours aisées, car immobilisent une main du chirurgien pour le maintien de l’endoscope. L’objectif de cette thèse est alors de concevoir un robot d’assistance pour ce type de chirurgie endoscopique.
La thèse débute par un rappel des régions anatomiques de l’oreille et des sinus, puis par la réalisation d’un atlas géométrique, d’après scanners, permettant la définition des dimensions de ces espaces de travail robotiques et de leurs variations. Après un état de l’art des robots déjà existants pour la chirurgie de l’oreille et des sinus, nous introduisons notre robot porte-endoscope par une analyse fonctionnelle. Elle est confrontée à une veille de brevets, qui mène ensuite à un dépôt de brevet, publié en 2021. Une étude de marché est ensuite présentée, montrant l’intérêt des utilisateurs des spécialités concernées.
La phase de conception du robot débute alors, par l’analyse de différents choix d’architecture, autour de variations d’un mécanisme à centre de rotation déporté, couplant un mécanisme sphérique à 2 degrés de liberté avec un double parallélogramme. Un nouvel algorithme d’optimisation a été réalisé, basé sur l’algorithme de Nelder Mead, permettant l’optimisation de mécanismes parallèles. Les modalités du contrôle de ce robot par suivi d’image ont enfin été définies, à l’aide d’un algorithme utilisant le CamShift.

Mots-clés : chirurgie endoscopique, robotique chirurgicale, ORL, mécanisme parallèle, optimisation
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Abstract:
Endoscopic ear and sinus surgery promotes minimally invasive pathways and allows a better view of areas difficult to access. However, they are not always easy, as they immobilize a surgeon’s hand to hold the endoscope. The objective of this thesis is to design an assistance robot for this type of endoscopic surgery.
The thesis begins with a reminder of the anatomical regions of the ear and sinuses, then with a geometrical atlas based on scans. These measurements size these robotic workspaces and their variations. After a state of the art of the existing robots for ear and sinus surgery, we introduce our endoscope holder robot with a functional analysis. This analysis is confronted with a patent watch, which leads to a patent filing, published in 2021. Then, a marketing study is presented, showing the interest of users of the specialties concerned.
The robot design phase begins, with analysis of different architectures, variations of a remote center of motion mechanism, made by coupling two degrees of freedom spherical mechanism with double parallelograms. A new optimization algorithm has been introduced, based on the Nelder Mead algorithm. It allows the optimization of parallel mechanisms. Robot control by image tracking has finally been defined, with an algorithm using CamShift.

Keywords: endoscopic surgery, surgical robotics, ENT, parallel mechanism, optimization

Soutenance de thèse de Madhukar BHAT (équipe IPI)

Madhukar Bhat, doctorant au sein de l’équipe IPI soutiendra sa thèse intitulée « Optimisation perceptuelle et réduction de complexité d’encodage vidéo dans un contexte temps-réel » / « Perceptual optimization and complexity reduction for real-time video encoding »

lundi 7 juin 2021 à 14h en visio.

Lien Zoom : https://univ-nantes-fr.zoom.us/j/95145814230?pwd=anlMRXluUmVDaTd3bnRsOUFQUk14QT09
(Meeting ID: 951 4581 4230 / Passcode: 099949)

Jury :
– Directeur de thèse : Patrick Le Callet
– Rapporteurs : Mathias Wien (Privatdozent, RWTH Aachen, Allemagne), Marco Cagnazzo (Professeur, Telecom Paristech, Paris)
– Autres membres : Jean-Marc Thiesse (Chef de service Algorithmes , VITEC, Chatillon)
– Invitée : Mme Lu ZHANG, Maitre de conférences, INSA Rennes

Résumé : Cette thèse explore l’optimisation perceptuelle et la réduction de la complexité afin d’améliorer les schémas de compression vidéo dans un contexte d’encodage temps réel. Le travail est divisé en trois parties qui abordent plusieurs aspects d’amélioration l’encodage vidéo en temps réel. La première contribution introduit un filtre de prétraitement perceptuel basé sur un modèle du système visuel humain. Ce filtre de prétraitement peut être réglé et a été optimisé pour plusieurs conditions de visualisation. Une étude sur la précision de différentes métriques de qualité objective dans le cadre spécifique de la mesure des performances de pré-filtrage est également menée. La deuxième partie de la thèse propose une méthodologie basée sur la classification par apprentissage automatique pour prédire et sélectionner de manière adaptative la meilleure résolution d’encodage dans un scénario de codage en une passe. À cette fin, trois classificateurs différents ont été considérés : Support Vector Machine, Random Forest (RF) et Multi-Layer Perceptron. Dans le but d’évaluer et piloter le gain perceptif à un débit donné, plusieurs métriques de qualité objectives ont ensuite été caractérisées et comparées à plusieurs niveaux de qualité du point de vue de l’incertitude de la qualité subjective de la vérité terrain. En outre, une nouvelle métrique de fusion basée sur RF, subjectivement plus précise, a été introduite pour la formation des classificateurs. La dernière partie se concentre sur la prise en charge de la partie de codage la plus complexe du nouveau standard Versatile Video Coding (VVC) : la décision de partitionnement Multi-Type Tree. Une nouvelle méthode de partitionnement basée Machine Learning est proposée avec un design complet, adaptée à chaque type d’encodeur et particulièrement approprié pour un encodeur matériel temps réel. Une approche basée CNN a ainsi été utilisée, avec des classificateurs pour différents niveaux, formes et types de partitionnement. Cette méthode est finalement évaluée par rapport à une recherche exhaustive et démontre des performances prometteuses qui sont soigneusement analysées.

Mots-clés : Encodage matériel en temps réel, HEVC, VVC, Filtre de prétraitement perceptuel, Apprentissage automatique, Sélection de résolution adaptative, Partitionnement rapide

Abstract: This thesis explores perceptual optimization and complexity reduction towards improving video compression schemes in a real-time encoding context. Different strategies are proposed to address perceptual enhancements and complexity reduction. The work is divided into three main parts that tackle several aspects to improve realtime video encoding. The first contribution introduces a perceptual pre-processing filter based on a model of the Human Visual System. This preprocessing filter can be tuned and has been optimized for multiple viewing conditions. An investigation of objective quality metric’s accuracy in measuring the performance of pre-processing is also reported. The second part of the thesis proposes a machine learning classification-based methodology to adaptively predict and select the best encoding resolution in a single-pass encoding scenario. For this purpose, three different classifiers have been considered: Support Vector Machine, Random Forest (RF), and Multi-Layer Perceptron. Several objective quality metrics have been characterized and benchmarked for various quality ranges concerning the uncertainty of subjective quality ground-truth to evaluate and drive the perceptual gain at a given bitrate.
Also, a new, subjectively more accurate RFbased fusion metric has been introduced for the classifier training. The final part focuses on tackling the most challenging encoding part of the new Versatile Video Coding (VVC) standard: the Multi-Type Tree partitioning decision. A new ML-based partitioning method is proposed with a complete design, suitable for every encoder but even more adapted for real-time hardware encoder. A CNN-based approach was considered, offering classifiers for different coding unit depth, shapes, and picture types. This method is finally evaluated against exhaustive search and demonstrate promising performance which are carefully analyzed.

Keywords: Real-time hardware encoding, HEVC , VVC , Perceptual pre-processing filter, Machine learning, Adaptive resolution selection, Fast parititioning

Soutenance de thèse de Zhongmou LI (équipe ARMEN)

Zhongmou LI, doctorant de l’équipe ARMEN, soutiendra sa thèse intitulée « Conception mécanique, analyse des torseurs disponibles et contrôle d’un robot multi-drone pour la saisie et la manipulation de grands objets » / « Mechanical design, wrench analysis and control of a multi-drone robot for grasping and manipulating large objects »

mercredi 31 mars 2021 à 9h30.

Direct sur Zoom (ID de réunion : 921 5496 9879 / Code secret : B#TFyw0v)

Jury :
– Directeur de thèse: Isabelle Fantoni, Directrice de recherche CNRS, LS2N
– Co-encadrants: Abdelhamid Chriette, Maître de conférences, LS2N, Centrale Nantes, Vincent Bégoc, Enseignant-chercheur, LS2N, Icam
– Rapporteurs: Marc Gouttefarde, Directeur de recherche CNRS, LIRMM, Pascal Morin, Professeur des universités, Sorbonne Universités, UPMC
– Examinateurs: Franck Plestan, Professeur des universités, LS2N, Centrale Nantes, Rogelio Lozano, Directeur de recherche CNRS, Université de Technologie de Compiègne, Tobias Bruckmann, Senior researcher, University of Duisburg-Essen

Résumé : Cette thèse propose un nouveau concept de robot de manipulation aérienne appelé Flying Gripper. Ce robot est un manipulateur aérien de 6 degrés de liberté, destiné à la saisie, la manipulation et le transport de grands objets de manière autonome. Le robot Flying Gripper est composé de quatre quadrotors, de quatre doigts auto-adaptatifs et d’un châssis. Nous présentons deux architectures différentes de Flying Gripper : une avec des quadrotors à attitude fixe, et une autre modifiée avec des quadrotors à attitude mobile. Les principaux apports de ces travaux sont, d’un point de vue mécanique (1) la proposition d’un concept mécanique original reposant sur l’utilisation de plusieurs quadrotors et tirant parti de la rotation en lacet des quadrotors pour actionner un mécanisme de préhension auto-adaptatif et intrinsèquement sûr (2) la proposition d’une méthode pour générer l’ensemble des torseurs disponibles d’un système actionné par des quadrotors en tenant compte des contraintes d’égalité et d’inégalité imposées par les limites d’actionnement, les butées mécaniques et les relations d’équilibre. Du point de vue du contrôle, les principales contributions sont les suivantes (3) pour l’architecture avec des quadrotors à attitude fixe, nous proposons une commande prédictive pour traiter une masse, une inertie et un centre de masse inconnus dus à l’objet saisi; (4) pour l’architecture avec des quadrotors à attitude mobile, nous exploitons un algorithme d’allocation de contrôle dynamique pour la distribution de l’effort de contrôle, de manière à optimiser l’efficacité énergétique et la continuité de la commande, en considérant les limites mécaniques du robot. Une simulation numérique a été réalisée pour chaque robot afin de valider les performances du contrôleur. Des tests expérimentaux ont été effectués sur le Flying Gripper avec des quadrotors à attitude mobile.

Mots-clés : Systèmes aériens, Mécanique et contrôle, Saisie, Modèle dynamique, Commande prédictive, Allocation de contrôle dynamique

Abstract: This thesis proposes a new concept of aerial manipulation robot named Flying Gripper. This robot is a 6 DOF aerial manipulator that is intended to perform grasping, manipulating, and transporting of large objects autonomously. The Flying Gripper robot is composed of four quadrotors, four self-adaptive fingers and a body structure. We present two different architectures of Flying Gripper: one with fixed-attitude quadrotors, and a modified one with mobile attitude quadrotors. The main contributions of these works are, from a mechanical point of view: (1) the proposition of an original mechanical concept relying on the use of multiple quadrotors to obtain full manipulability in SE(3) and taking advantage of quadrotors yaw rotation to actuate a self-adaptive and intrinsically safe grasping mechanism (2) the proposition of a method to generate the available wrench set of a system actuated by quadrotors considering equality and inequality constraints imposed by actuation limits, mechanical stops and equilibrium relations. From a control point of view, the main contributions are: (3) for the architecture with fixed-attitude quadrotors, we propose a model predictive controller to deal with unknown mass, inertia and center of mass due to the grasped object; (4) for the architecture with mobile-attitude quadrotors, we exploit a Dynamic Control Allocation algorithm for control effort distribution, energy efficiency and continuity, considering the robot mechanical limits. A numerical simulation has been performed for each robot to validate the controller performances. Experimental tests have been carried out on the Flying Gripper with mobile-attitude quadrotors.

Keywords: Aerial Systems, Mechanics and Control, Grasping, Dynamic model, Model Predictive Control, Dynamic Control Allocation

Soutenance de thèse d’Olivier BORDRON (équipe SIMS)

Olivier Bordron, doctorant de l’équipe SIMS, soutiendra sa thèse intitulée « Influence d’une orthèse de genou sur le mouvement humain« / « Influence of a knee orthosis on human motion »

mardi 30 mars 2021 à 9h.

Direct sur Zoom (ID de réunion : 977 2911 0344 / Code secret : %at$S*3N)

Jury :

Rapporteurs : Laurence CHÈZE, Professeur des universités, Université, Claude Bernard Lyon 1 ; Frédéric MARIN, Professeur des universités, Université de Technologie de Compiègne
Examinateurs : Samer MOHAMMED, Professeur des universités, Université Paris-Est Créteil ; Véronique MARCHAND, Directrice de recherche INSERM, Sorbonne Université, Valérie RENAUDIN Directrice de recherche, Université Gustave Eiffel
Directeur de thèse : Yannick AOUSTIN, Professeur des universités, Université de Nantes
Co-encadrants de thèse : Clément HUNEAU, Maître de conférences, Université de Nantes ; Éric LE CARPENTIER, Maître de conférences, École Centrale de Nantes
Membre invité : Christine CHEVALLEREAU, Directrice de recherche CNRS, Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes

Résumé : Avec le vieillissement de la population, la sédentarité, l’augmentation des accidents vasculaires cérébraux et autres déficiences motrices, la mobilité est un enjeu mondial primordial. À ce problème, les exosquelettes et les orthèses constituent une réponse technologique possible. Une orthèse est un système pluridisciplinaire qui doit s’adapter au corps de l’utilisateur pour l’assister dans son mouvement. De par sa nature complexe, elle impose à l’utilisateur des contraintes physiques, technologiques et liées à la commande. Les matériaux utilisés, la géométrie, la chaîne de puissance, la chaîne d’information, la morphologie de l’être humain et la nature du mouvement sont autant d’éléments qui influent sur la nature et l’amplitude des contraintes. Si celles-ci sont trop importantes, l’utilisateur va devoir s’adapter et modifier sa démarche en conséquence. Pour prévoir les contraintes physiques appliquées par une orthèse de genou sur un individu au cours d’un mouvement cyclique tel que le squat ou la marche, un simulateur a été développé. Il permet de générer des trajectoires optimales au sens d’une fonction de coût et de calculer les couples articulaires nécessaires à la réalisation du mouvement. Une étude expérimentale a été menée sur plusieurs sujets pour comprendre comment le poids se répartit au cours d’un mouvement de squat. Fondé sur ces résultats, un modèle de répartition des efforts a été proposé.

Mots-clés : orthèse, exosquelette, squat, capture de mouvement, modèle dynamique

Abstract: With an aging population, sedentary lifestyles, an increase in strokes and other motor deficiencies, mobility is a global concern of paramount importance. To this problem, exoskeletons and orthoses are one possible technological solution. An orthosis is a multidisciplinary system that must adapt to the user’s body to assist him in his motion. Due to its complex design, it involves physical, technological and control constraints on the user. The materials used, the shape, the information and power chain, the human morphology and the motion are all factors that influence the type and amplitude of the constraints. If these constraints are too important, the user will have to adapt and modify his gait consequently. To predict the physical constraints applied by a knee orthosis on a human being during a cyclic motion such as squatting or walking, a simulator has been developed. It enables the generation of optimal trajectories in accordance with a cost function and the computation of the joint torques required to achieve the motion. An experimental study was conducted on several subjects to understand how weight is distributed during a squat motion. Based on these results, a model for the forces distribution was proposed.

Keywords: orthosis, exoskeleton, squat motion, motion capture, dynamic model

Soutenance de thèse de Yishen ZHAO (équipe Commande)

Yishen ZHAO, au sein de l’équipe Commande, soutiendra sa thèse intitulée « Modélisation cybernétique du conducteur pour la réalisation d’un contrôle haptique partagé du volant et l’adaptation du système homme-machine » / « Cybernetic driver modeling for the realization of haptic shared control and the adaptation of the human-machine system »

le 20 avril 2021 à 10h, à l’amphithéâtre BESSE du campus Nantes et en visio.

Jury :
– Directeur de thèse : Philippe CHEVREL Professeur, IMT Atlantique
– Co-dir. de thèse : Franck MARS Directeur de Recherche, CNRS
– Co-encadrant de thèse : Fabien CLAVEAU Maître-Assistant, IMT Atlantique
– Rapporteurs : Mariana NETTO Chargée de Recherche, Université Gustave Eiffel ; Jean-Christophe POPIEUL Professeur, Université Polytechnique Hauts-de-France
– Autres membres : David ABBINK Professeur, Delft University of Technology

Résumé : L’amélioration des systèmes d’assistance à la conduite (ADAS) des voitures passe par la minimisation des conflits entre conducteur et le système d’assistance. Le contrôle latéral partagé notamment, fait l’objet de nombreuses études ces dernières années. Il s’agit de partager l’action exercé sur le volant par voie haptique. La conception d’assistances évoluées de ce type suppose qu’un modèle dynamique du conducteur est disponible. Sur ce thème de la modélisation du conducteur, cette thèse s’attaque à deux verrous. Au delà de l’analyse comportementale souvent adoptée dans la littérature, le premier porte sur la formalisation de la question de l’adaptation du comportement du conducteur au contexte routier, aux conditions de visibilité notamment. Il s’agit pour le second de comprendre et modéliser le processus d’adaptation réciproque du conducteur et de l’assistance au fil de l’usage. L’utilisation de la théorie de l’estimation (identification, observateurs) et la mise en situation choisie de cohortes de conducteurs a permis d’enrichir les modèles de conducteur existants. Le comportement adaptatif du conducteur a pu être formalisé au travers de sa réaction haptique au couple produit sur le volant par l’assistance, mais aussi d’une évolution paramétrique de ce que nous avons convenu d’appeler son modèle interne. Les résultats obtenus montrent l’intérêt du modèle cybernétique proposé. Ils pourront à l’avenir être mis à profit pour le développement de nouveaux systèmes de contrôle latéral.

Mots-clés : Contrôle partagé, Adaptation, Modèle de conducteur, Identification

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Abstract: Improving the advanced driver assistance systems (ADAS) involves minimizing conflicts between the driver and the system. The shared lateral control has been the subject of numerous studies in recent years. It refers to sharing the action exerted on the steering wheel through haptics. The design of such advanced assistances assumes that a dynamic driver model is available. Around this theme of driver modelling, this thesis focuses on two objectives. Beyond the behavioral analysis often adopted in the literature, the first concerns the formalization of the adaptation of the driver’s behavior to the road context, to visibility conditions in particular. The second is to understand and model the process of reciprocal adaptation of the driver and the assistance through usage. The implementation of estimation theory (identification, observers) and chosen scenario with cohorts of drivers made it possible to enrich the existing driver models. The drivers’ adaptive behavior has been formalized not only through their haptic reaction to the torque produced on the steering wheel by the assistance, but also through a parametric evolution of what we called « internal model ». The results obtained show the interest of the proposed cybernetic model. They can be used in the future for the development of new lateral control systems.

Keywords: Haptic shared control, Adaptation, Driver steering model, System identification

Soutenance de thèse de Paul François (équipe IS3P)

Paul François, doctorant au sein de l’équipe IS3P, soutiendra sa thèse intitulée « Outils de réalité virtuelle pour l’histoire et l’archéologie. Recherche, diffusion, médiation : le cas des théâtres de la Foire Saint-Germain » / « Virtual reality tools for history and archaeology. Research, dissemination, mediation: the case of the Foire Saint-Germain theaters »

jeudi 15 avril 2021 à 14h en visio (ID de réunion : 938 2846 3848).

Jury :
– Directeur de thèse : Florent Laroche ;
– Co-directrice de thèse : Françoise Rubellin (Professeur des Universités, EA4276 – LAMO)
– Rapporteurs : Estelle Doudet (Professeur des Universités, Université de Lausanne) et Frédéric Noël (Professeur des Universités, UMR 5272 – GSCOP) ;
– Autres membres : Pauline Beaucé (Maître de Conférences, UMR 4593 – CLARE), Emmanuel Caillaud (Professeur des Universités, UMR 7357 – ICUBE), Laurent Lescop (Maître de Conférences HDR, UMR 1563 – AAU), Jeffrey Leichman (Assistant Professor, Louisiana State University).

Résumé : De même que les technologies numériques ont profondément modifié la manière dont se pratiquent les humanités, la réalité virtuelle promet d’être un outil de travail incontournable dans le futur. Cette thèse s’intéresse aux potentiels de l’immersion en réalité virtuelle pour les historiens et les archéologues en proposant une méthode de travail adaptée, la rétro-architecture, et un composant logiciel : PROUVÉ. Ensemble, ils transforment la réalité virtuelle en un moyen de recherche, de diffusion et de médiation apte à offrir une expérience immersive à une grande diversité d’usagers. Cette expérience se veut ludique tout en maintenant les standards de la communauté scientifique en matière de partage d’hypothèses et de traçabilité des sources.
Pour explorer ces nouvelles possibilités, cette thèse s’appuie sur un cas d’étude d’histoire culturelle française du XVIIIe siècle : les théâtres de la Foire Saint-Germain à Paris. Disparus à la fin du siècle des Lumières sans laisser aucune trace physique, ils étaient pourtant un lieu majeur de la culture théâtrale et artistique française en permettant à de nombreuses troupes de jouer des répertoires et des genres variés et innovants. Les parisiens y assistèrent notamment à la naissance de l’Opéra-Comique. La restitution tridimensionnelle des salles où se jouaient ces spectacles, à partir de documents d’archives, nécessite la prise en compte des usages techniques, sociaux et culturels : c’est la rétro-architecture. De plus, en immergeant in virtuo les experts dans les lieux restitués grâce à la réalité virtuelle, il est possible de lier des connaissances de nature diverse au modèle numérique ainsi produit. La restitution d’un théâtre de marionnettes à la Foire Saint-Germain vers 1760 ainsi que la restitution d’un projet de théâtre pour Audinot vers 1772, à cette même Foire, mettent en évidence les possibilités offertes par PROUVÉ et la rétro-architecture.
En explorant parallèlement l’objet et l’outil de ce cas d’étude (l’architecture des théâtres forains parisiens et la réalité virtuelle), cette thèse entend démontrer le potentiel de la réalité virtuelle pour des sujets fortement interdisciplinaires. Management de la connaissance, architecture, arts du spectacle, histoire, archéologie, médiation et ingénierie dialoguent ainsi grâce à une même maquette numérique.

Mots-clés : Réalité Virtuelle, Histoire, Archéologie, Théâtre, Architecture

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Abstract: Just as digital technologies have profoundly changed the way the humanities are practiced, virtual reality promises to be an essential work tool in the future. This thesis focuses on the potential of virtual reality immersion for historians and archaeologists by proposing an adapted working method, called reverse-architecture, and a software component: PROUVÉ. Together, they transform virtual reality into a means of research, dissemination and mediation able to offer an immersive experience to a wide variety of users. This experience is meant to be entertaining while maintaining the standards of the scientific community in terms of hypothesis sharing and source traceability.
To explore these new possibilities, this thesis is based on a case study of 18th century French cultural history: the theaters of the Foire Saint-Germain in Paris. Disappeared at the end of the Enlightenment without leaving any physical trace, they were nevertheless a major place of French theatrical and artistic culture, allowing many troupes to perform varied and innovative repertoires and genres. The Parisians attended in particular the birth of the Opéra Comique. The three-dimensional restitution of the theatres where these shows were performed, based on archival documents, requires taking into account technical, social and cultural uses: this is reverse-architecture. Moreover, by immersing experts in the virtual environment, it is possible to link knowledge of various kinds to the digital model thus produced. The restitution of a puppet theater at the Foire Saint-Germain around 1760, as well as the restitution of a theater project for Audinot around 1772, at the same fair, highlight the possibilities offered by PROUVÉ and reverse-architecture.
By exploring in parallel the object and the tool of this case study (the architecture of Parisian fairground theaters and virtual reality), this thesis intends to demonstrate the potential of virtual reality for highly interdisciplinary subjects. Knowledge management, architecture, performing arts, history, archaeology, mediation and engineering thus dialogue thanks to the same digital model.

Keywords: Virtual Reality, History, Archaeology, Theatre, Architecture

Soutenance de thèse de Béatrice PANO (équipes Commande et PACCE)

Béatrice Pano, doctorante au sein des équipes Commande et PACCE, soutiendra sa thèse intitulée « Véhicule autonome : Conception d’une stratégie de contrôle partagé pour les transitions entre conduite manuelle et automatisée » / « Autonomous vehicle: Design of a shared control strategy for transitions between manual and autonomous driving, automated vehicle »
vendredi 26 mars 2021 à l’IMT Atlantique.

Jury :
– Directeur de thèse : Philippe Chevrel, Professeur, IMT-Atlantique
– Co-Dir. de thèse : Franck Mars, Directeur de Recherche, CNRS
– Co-encadrant : Chouki Sentouh, Maître de Conférence HDR, Université Polytechnique Hauts-de-France
– Rapporteurs : Françoise Lamnabhi-Lagarrigue, Directrice de Recherche, CNRS ; Saïd Mammar, Professeur, Université d’Evry Val-d’Essonne
– Examinateur : Daniel Alazard, Professeur, Institut Supérieur de l’aéronautique et de l’espace
– invité : Fabien Claveau, Maître-Assistant, IMT-Atlantique

Résumé : Dans le cadre du développement de voitures autonomes, la thèse traite de la question de la transition entre modes de conduite automatique et manuelle. Elle part du postulat suivant : la commande haptique partagée est une voie particulièrement intéressante pour relier ces modes de conduite. En modifiant progressivement la part d’assistance apportée par le système, elle laisse au conducteur le temps de se remettre dans la boucle de commande sensorimotrice. Afin de vérifier ce postulat, la thèse propose une méthodologie pour la synthèse d’une commande haptique partagée, dont le niveau de partage (niveau de participation de l’assistance) peut être modulé. S’appuyant sur un modèle cybernétique du conducteur, la méthodologie minimise les conflits entre l’humain et l’assistance de conduite. La loi de commande est constituée d’une part d’un générateur de trajectoire s’appuyant sur la courbure de la route mesurée en avant du véhicule (action anticipatrice), et d’autre part d’une boucle de rétroaction (action compensatrice) dont les gains sont calculés par la résolution d’un problème d’optimisation mixte !/ « . Ce problème multi-critère prend en compte la qualité du partage, les performances de suivi de voie, le confort du conducteur et la robustesse du système. L’analyse systématique des tests expérimentaux menés sur un simulateur de conduite par un ensemble représentatif de conducteurs permet d’apprécier l’intérêt de la solution dans un contexte d’évitement d’obstacle. Différents profils de transitions sont considérés, dont l’un est binaire, l’autre demande au conducteur de surpasser l’action du système autonome, et deux sont progressifs. L’intérêt d’une transition progressive, avec interaction haptique maitrisée est manifeste

Mots-clés : Commande haptique partagée, Transition de commande, Commande !/ « , Contrôle latéral du véhicule, ADAS, véhicule automatisé

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Abstract: In the context of the development of autonomous cars, the thesis deals with the question of the transition between autonomous and manual driving modes. It is based on the following postulate: Haptic shared control is a particularly promising way to link these driving modes. By progressively modifying the part of assistance provided by the system, it allows the driver time to get back into the sensorimotor control loop. In order to verify this hypothesis, the thesis proposes a methodology for the synthesis of a haptic shared control, whose level of sharing (level of participation of the assistance) can be modulated. Based on a cybernetic driver model, the methodology minimizes the conflicts between the human and the driving assistance system. The control law consists of a trajectory generator based on the curvature of the road measured ahead of the vehicle (anticipatory action), and ahead of the vehicle (anticipatory action), and a feedback loop (compensatory action) whose gains are calculated by solving a mixed optimization problem. This multi-criteria problem takes into account the quality of sharing, lane tracking performance, driver comfort and system robustness. Systematic analysis ofexperimental tests conducted on a driving simulator by a representative group of drivers enables the interest of the solution to be assessed in an obstacle avoidance context. Different transition profiles are considered, one of which is binary, the other requires the driver to override the autonomous system, and two are progressive. The value of a progressive transition, with controlled haptic interaction, is obvious.

Keywords: Haptic shared control, Control transition, !/ » control, Vehicle lateral control, ADAS, Automated vehicle

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