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soutenance

Soutenance de thèse de Zhiqiang WANG (équipes RoMaS et IS3P)

Zhiqiang Wang, doctorant au sein des équipes RoMaS et IS3P, soutiendra sa thèse intitulée « Aide à la décision en usinage basée sur des règles métier et apprentissages non supervisés » / « Decision-aid in machining based on business rules and unsupervised machine learning »

lundi 14 décembre 2020 à 10h, en visioconférence Zoom

Jury :
– Directeurs de thèse : Benoît FURET et Catherine DA CUNHA
– Co-encadrant : Mathieu RITOU
– Rapporteurs : Nabil ANWER (Professeur, LURPA – Université Paris Saclay) ; Julien LE DUIGOU (enseignant-chercheur contractuel titulaire de l’HDR, Laboratoire Roberval – Université de Technologie de Compiègne).
– Autres membres : Guénaël GERMAIN (Professeur, LAMPA – Arts et Métiers ParisTech Angers)

Résumé : Dans le contexte général de l’industrie 4.0, une entreprise de fabrication moderne dispose de nombreuses données numériques qui pourraient être utilisées pour rendre les machines-outils plus intelligentes et faciliter la prise de décision en matière de gestion opérationnelle. Cette thèse vise à proposer un système d’aide à la décision pour les machines-outils intelligentes et connectées par l’exploration des données. L’une des premières étapes de l’approche d’exploration de données est la sélection précise de données pertinentes. Pour ce faire, les données brutes doivent être classées dans différents groupes de contexte. Cette thèse propose un algorithme d’apprentissage automatique non-supervisé, par mélanges gaussiens (GMM), pour la classification contextuelle. Basé sur les informations contextuelles, différents incidents d’usinage peuvent être détectés en temps réel. Il s’agit notamment de broutement, de bris d’outil et de sur-vibration. Cette thèse présente un ensemble de règles métiers pour la détection du broutement, de bris d’outil et de sur-vibration. Le contexte opérationnel a été décrypté lorsque des incidents se produisent, sur la base de la classification contextuelle qui explique les types d’usinage et d’engagement des outils. Ensuite, les nouveaux indicateurs clés de performance (KPIs) pertinents et appropriés peuvent être proposés sur la base de ces informations contextuelles combinés avec les incidents détectés afin de soutenir la prise de décision pour la gestion opérationnelle. Cette thèse propose de nouveaux opérateurs d’agrégation et de nouveaux KPIs pertinents pour les différents besoins des départements.

Mots-clés : Industrie 4.0, machines-outils, fouilles de données, GMM, classification contextuelle, KPIs

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Abstract: In the general context of Industry 4.0, large volumes of manufacturing data are available on instrumented machine-tools. They are interesting to exploit not only to improve machine-tool performances but also to support the decision making for the operational management. This thesis aims at proposing a decision-aid system for intelligent and connected machine-tools through Data mining. The first step in a data mining approach is the selection of relevant data. Raw data must, therefore, be classified into different groups of contexts. This thesis proposes a contextual classification procedure in machining based on unsupervised machine learning by Gaussian mixture model.
Based on this contextual classification information, different machining incidents can be detected in real-time. They include chatter, tool breakage and excessive vibration. This thesis introduces a set of business rules for incidents detection. The operational context has been deciphering when incidents occur, based on the contextual classification that explains the types of machining and tool engagement.
Then, the nouveaux relevant and appropriate Key Performance Indicators (KPIs) can be proposed based on these contextual information and the incidents detected to support decision making for the operational management.

Keywords: Industry 4.0, machine-tools, Data mining, GMM, contextual classification, KPIs.

Soutenance de thèse de Yassir DAHMANE (équipe Commande)

Yassir Dahmane, doctorant au sein de l’équipe Commande, soutiendra sa thèse intitulée « Gestion d’énergie optimisée des véhicules électriques et infrastructures » / « Optimized Energy Management for Electric Vehicles and Infrastructures »

mercredi 16 décembre à 13h, dans l’amphi du bât. S,  sur le site de Centrale Nantes.

Jury :
– Directeur de thèse : Malek GHANES (Professeur des Universités, Centrale Nantes, LS2N)
– Co-encadrant : Raphaël CHENOUARD (Maître de conférences, Centrale Nantes, LS2N)
– Rapporteurs : Delphine RIU (Professeur des Universités, INP Grenoble, G2Elab) ; Mickaël HILAIRET (Professeur des Universités, Université de Franche-Comté, FEMTO-ST)
– Autres membres : Hervé GUEGUEN (Professeur, Centrale Supélec, IETR) ; Jean-Pierre BARBOT (Professeur des universités, ENSEA Cergy-Pontoise, QUARTZ)
– Invité : Mario ALVARADO-RUIZ (Docteur, Renault)

Résumé : Cette thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre de la chaire Renault/Centrale Nantes sur l’amélioration des performances des véhicules électriques (EV/HEV). Elle est dédiée à la problématique de la gestion de la recharge des véhicules électriques, en utilisant des algorithmes d’optimisation et des stratégies de recharge intelligentes. Dans ce cadre, plusieurs contributions ont été proposées sur les sujets de la recharge intelligente d’une voiture électrique et la gestion de la recharge d’une flotte de véhicules électriques, en considérant les contraintes de mobilités (SOC désiré à la fin de la recharge et heure de départ), la température des batteries Li-ion, les infrastructures de recharge, et le réseau électrique.
Sur le sujet de la recharge intelligente d’une voiture électrique, les contributions se sont concentrées sur le développement des algorithmes embarqués permettant la planification du profil de la puissance de recharge afin de réduire le coût de la recharge. Les algorithmes proposés prennent en compte les besoins de mobilités des utilisateurs de véhicules électriques, et l’effet de la température sur la puissance de recharge des batteries Li-ion. Sur le sujet de la gestion de recharge de flotte de véhicules, les contributions portent essentiellement sur les algorithmes centralisés dans les stations de recharge de véhicules électriques. Un algorithme de recharge unidirectionnelle a été proposé afin d’évaluer le nombre optimal de véhicules électriques à recharger avec un bon niveau de satisfaction des contraintes de mobilités et sans aucun renforcement de l’infrastructure. Le passage à l’algorithme bidirectionnel est fait grâce à l’exploitation de la fonctionnalité V2G qui permettra la participation des véhicules électriques dans la régulation de fréquence.
Les contributions proposées sur le premier sujet ont l’avantage d’augmenter la précision d’estimation de SOC final en très basse température, et d’être embarquable sur le véhicule grâce à la légèreté des algorithmes et la rapidité d’exécution. D’autre part, les algorithmes de gestion de recharge de flotte de véhicules permettent une intégration des véhicules électriques à grande échelle sur le réseau et montrent le potentiel des voitures électriques dans la contribution à la stabilité du réseau électrique.
Les algorithmes et les stratégies développées ont été testés en simulation et seront testés sur un système de recharge de voiture électrique. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence l’avantage de la recharge intelligente sur la réduction des coûts, les bienfaits sur le réseau et l’importance de la gestion de la recharge des flottes de véhicules électriques dans développement des services réseaux.

Mots-clés : Voiture électrique, optimisation, batteries Li-ion, effet de la température, algorithmes de planification, gestion d’énergie de flotte, réseau intelligent, V2G, régulation de fréquence.

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Abstract: This PhD thesis is part of the Renault/Centrale Nantes chair on improving the performance of electric vehicles (EV/PHEV). It is dedicated to the problem of the charging management of electric vehicles, using optimization algorithms and smart charging strategies. In this framework, several contributions have been proposed on the topics of smart charging of an EV and the smart energy management of an EV fleet, considering the mobility constraints (desired SOC at the end of the charging and departure time), the temperature of the Li-ion batteries, the charging infrastructures, and the power grid.
On the subject of smart charging of an EV, the contributions focused on the development of embedded algorithms allowing the scheduling of the charging power profile in order to reduce the charging cost. The proposed algorithms take into account the mobility needs of electric vehicle users, and the effect of temperature on the charging power of Li-ion batteries. On the subject of fleet energy management, the contributions focus on centralized algorithms in electric vehicle charging stations. An unidirectional recharging algorithm has been proposed in order to evaluate the optimal number of electric vehicles to be recharged with a good level of satisfaction of mobility constraints and without any infrastructure reinforcement. The switch to the bidirectional algorithm is due to the exploitation of the V2G functionality, which will allow the participation of electric vehicles in frequency regulation.
The proposed contributions on the first topic have the advantage of increasing the estimation accuracy of final SOC in very low temperature, and to be embedded on the EV due to the low computational capacity of the algorithms and the speed of execution. On the other hand, the EV fleet charging management algorithms allow the possibility of large-scale integration of electric vehicles on the grid and show the potential of EVs in contributing to the stability of the power grid by offering ancillary services such as frequency regulation.
The algorithms and strategies developed have been tested in simulation and will be tested on an EV charging system. The results obtained have highlighted the benefits of smart charging on cost reduction and grid benefits and the importance of electric vehicle fleet charging management in the development of grid services.

Keywords: Electric vehicle, optimization, Li-ion battery charging, temperature effect, scheduling algorithms, EV fleet energy management, smart grid, V2G, frequency regulation

Soutenance de thèse de Swaminath VENKATESWARAN (équipe ReV)

Swaminath Venkateswaran, ancien doctorant au sein de l’équipe ReV, a soutenu sa thèse intitulée « Conception d’un robot bio-inspiré pour l’inspection des canalisations« / « Design of a bio-inspired robot for the inspection of pipelines »

mercredi 4 novembre 2020 à 10h en visio sur https://ec-nantes.zoom.us/j/96080595653 .

Jury :
– M. Belhassen Chedli BOUZGARROU, Professeur d’université, SIGMA Clermont, Clermont Ferrand, France
– M. Damien CHABLAT, Directeur de recherché, Ecole Centrale de Nantes, Nantes, France
– M. Olivier COMPANY, Maître de conférences, Université Montpellier, Montpellier, France
– M. Pierre MORETTO, Professeur d’université, Université de Toulouse-III, Toulouse, France
– M. Ramakrishnan RAMACHANDRAN, Associate Professor, Vellore Institute of Technology, Inde
– M. Pierre RENAUD, Professeur d’université, INSA, Strasbourg, France
– Mme. Margot VULLIEZ, Maîtresse de conférences, Université de Poitiers, Poitiers, France

Résumé : Les robots d’inspection de canalisations jouent un rôle important dans des industries telles que le nucléaire, la chimie et les eaux usées. Ils peuvent opérer avec précision dans un environnement irradié ou pollué, réduisant ainsi les risques pour les humains. Cette thèse porte sur la conception d’un robot bio-inspiré pour l’inspection des canalisations. La thèse commence par l’étude du cas d’un robot d’inspection bio-inspiré rigide qui a été développé au LS2N, France pour AREVA. Des modèles statiques et dynamiques sont développés pour comprendre les forces de serrage et les couples des actionneurs du robot. Des validations expérimentales sont également effectuées sur le prototype pour interpréter les forces d’actionnement en temps réel. Pour améliorer sa mobilité, l’architecture du robot est rendue flexible par l’ajout d’un mécanisme de tenségrité. Deux types de mécanismes de tenségrité sont proposés et analysés avec des méthodes algébriques pour comprendre leurs limites d’inclinaison et pour connaître l’influence des paramètres de conception. Des expériences sont réalisées sur l’un des prototypes des mécanismes de tenségrité développés au LS2N avec deux types de trajectoire en positions horizontale et verticale. Ensuite, une optimisation est réalisée pour identifier les moteurs qui peuvent permettre du robot d’inspection de canalisation flexible de passer les coudes et les jonctions pour une plage donnée de diamètres de tuyaux. Une maquette numérique du robot flexible est réalisée dans un logiciel de CAO.

Mots-clés : Inspection de la canalisation, robots bio-inspirés, tenségrité, singularités, optimisation

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Abstract: Piping inspection robots play an important role in industries such as nuclear, chemical and sewage. They can perform the assigned task with better accuracy and at the same time, they can operate within an irradiated or a polluted environment thereby reducing the risks for humans. This doctoral thesis focuses on the design of a bio-inspired robot for the inspection of pipelines. The thesis begins with the case study of a rigid bio-inspired piping inspection robot which was developed at LS2N, France for a project with AREVA. Static and dynamic force models are developed to understand the clamping forces and the torques on the actuators of the robot. Experimental validations are then done on the prototype to interpret the real-time actuator forces. In order to improve mobility, the robot architecture is made flexible by the addition of a Tensegrity mechanism. Two types of Tensegrity mechanisms are proposed and analyzed using algebraic methods to understand their tilt limits and to identify the influences on the design parameters. Experiments are performed on one of the prototypes of the Tensegrity mechanism developed at LS2N for two types of trajectories in the vertical and horizontal orientations. An optimization approach is then being implemented to identify the sizes of motors that can permit the flexible piping inspection robot to overcome bends and junctions for a given range of pipeline diameters. A digital model of the flexible robot is then realized in CAD software.

Keywords: Piping inspection, Bio-inspired robots, Tensegrity, Singularities, Optimization

Soutenance de thèse de Thomas MINIER (équipe GDD)

Thomas Minier, doctorant au sein de l’équipe GDD, soutiendra sa thèse intitulée « La Préemption Web pour interroger le Web des Données » / « Web Preemption for Querying the Linked Open Data »

mardi 10 novembre 2020 à 14h en ligne sur YouTube

Jury :

Mr. Fabien Gandon, Directeur de Recherche à l’Inria Sophia-Antipolis, rapporteur.
Mr. Ruben Verborgh, Professeur à l’Université de Ghent, rapporteur.
Mme. Pascale Kuntz, Professeure à PolyTech Nantes, examinatrice.
Mme. Fatiha Saïs, Maître de conférence HDR à l’Université Paris 11, examinatrice.
Mr. Pascal Molli, Professeur à l’Université de Nantes, directeur de thèse.
Mme. Hala Skaf-Molli, Maître de conférence HDR à l’Université de Nantes, co-directrice de thèse.

Résumé : En suivant les principes du Linked Open Data, les fournisseurs de données ont publié des milliards de documents RDF via des services publics d’évaluation de requêtes SPARQL. Pour garantir la disponibilité et la stabilité de ces services, ils appliquent des politiques de quotas sur l’utilisation des serveurs. Les requêtes qui excèdent ces quotas sont interrompues et ne renvoient que des résultats partiels. Cette interruption n’est pas un problème s’il est possible de reprendre l’exécution des requêtes ultérieurement, mais il n’existe aucun modèle de préemption le permettant.

Dans cette thèse, nous proposons de résoudre le problème relatif à la construction des services qui permettent à n’importe quel utilisateur d’exécuter n’importe quelle requête SPARQL en obtenant des résultats complets. Nous proposons la préemption Web, un nouveau modèle d’exécution qui permet l’interruption de requêtes SPARQL après un quantum de temps, ainsi que leur reprise sur demande des clients. Nous proposons également SaGe, un moteur d’évaluation de requêtes SPARQL qui implémente la préemption Web tout en garantissant un surcoût de préemption minimal. Nos résultats expérimentaux démontrent que SaGe est plus performant que les approches existantes, en termes de temps moyen d’exécution des requêtes et d’obtention des premiers résultats.

Mots-clés : Web sémantique – Gestion des données liées – Serveurs SPARQL publics
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Abstract: Following the Linked Open Data principles, data providers have published billions of RDF documents using public SPARQL query services. To ensure these services remains stable and responsive, they enforce quotas on server usage. Queries which exceed these quotas are interrupted and deliver partial results. Such interruption is not an issue if it is possible to resume queries execution afterward. Unfortunately, there is no preemption model for the Web that allows for suspending and resuming SPARQL queries. In this thesis, we propose to tackle the issue of building public SPARQL query servers that allow any data consumer to execute any SPARQL query with complete results. First, we propose a new query execution model called Web Preemption. It allows SPARQL queries to be suspended by the Web server after a fixed time quantum and resumed upon client request. Web preemption is tractable only if its cost in time is negligible com- pared to the time quantum. Thus, we propose SaGe: a SPARQL query engine that implements Web Preemption with minimal overhead. Experimental results demonstrate that SaGe outperforms existing SPARQL query processing approaches by several orders of magnitude in term of the average total query execution time and the time for first results.

Keywords: Semantic Web – Linked Data Management – Public SPARQL servers

Soutenance de thèse de Rongyao LING (équipe Commande)

Rongyao LING, doctorant au sein de l’équipe Commande, soutiendra sa thèse intitulée « Synthèse de Lois de Commande Résilientes vis-à-vis de l’Implémentation par Réseau » / « Design of Resilient Networked Control Systems »

jeudi 10 décembre 2020 à 9h à Zhejiang University of Technology, China.
En Visio-conférence (Dispositions exceptionnelles durant la crise sanitaire liée au Covid19)
ID de réunion : 910 1499 8294

Jury :
– Directeur de thèse : Philippe CHEVREL (Pr, IMT Atlantique), Wen-an ZHANG (Professeur, Zhejiang University of Technology, Chine)
– Co-encadrant : Fabien CLAVEAU (MCF, IMT Atlantique), Yu FENG (Professeur, Zhejiang University of Technology)
– Rapporteurs : James WHIDBORNE James (Professeur, Cranfield University, UK) ; Zhengguang WU (Professeur, Zhejiang University, Chine)
– Autres membres : Christophe AUBRUN (Professeur, Université de Lorraine); Thibault HILAIRE (MCF, Université Paris VI)

Résumé : Cette thèse apporte des contributions méthodologiques pour l’analyse et la synthèse systématiques de lois de commande implémentée par réseau, confrontées à plusieurs dégradations induites comme les pertes de paquets, les retards ou bien encore les effets de quantification. Plus précisément, les problématiques suivantes sont abordées : 1) sur la base d’un critère LQ stochastique, le problème de suivi de trajectoire pour un système discret multivariable, piloté via un réseau avec pertes de paquets est d’abord considéré. Une solution de co-conception régulateur–codeur/décodeur est proposée, permettant d’exploiter au mieux les capacités du réseau ; 2) le problème de filtrage robuste implémenté aussi sur un réseau avec pertes de paquets est ensuite traité. Une solution à base d’opérateur adjoint est proposé pour résoudre le problème de filtrage H∞, faisant appel à la résolution d’une équation de Riccati discrète modifiée; 3) se focalisant ensuite sur la problématique des estimateurs implémentés de manière distribuée, une méthodologie permettant en une fois de les concevoir et de choisir la réalisation la plus résiliente est ensuite présentée. Cette méthodologie tire profit d’une forme d’état descripteur spécifique, permettant de décrire et analyser les réalisations équivalentes, en explicitant notamment les retards internes et l’impact des phénomènes de quantification. Afin de valider ces différents outils méthodologiques, un exemple basé sur deux robots mobiles coopératifs est introduit. Cet exemple, traité simulation, permet de confronter ces développements méthodologiques sur un problème concret et réaliste. d’ordonnancement, Model-checking

Mots-clés : Commande par Réseau, Commande Robuste, Méthodologie de Co-conception, Commande LQ Stochastique, filtre H∞, Forme Descripteur
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Abstract: This thesis presents several methodological contributions for the systematic analysis and synthesis of networked control systems subjected to multiple network-induced factors, such as packet dropouts, delays, quantization effects. Specifically, the following researches are considered in the thesis: 1) the stochastic LQ control under asymptotic tracking is considered for multiple-input-multiple-output discrete-time system over lossy channels, where the controller-coding co-design approach is adopted to take full advantage of the network resources; 2) the robust filtering problem is considered also over lossy channels, where an adjoint operator-based approach is proposed to solve the considered H∞ filtering problem and a modified discrete-time algebraic Riccati equation-based solution is further proposed to design the corresponding H∞ filter; 3) Taking into consideration the networked estimators, implemented in a distributed way, a methodology making possible both their design and the choice of the most resilient realization is introduced. This methodology is based on a descriptor model-used to describe in a unifying framework all the equivalent realizations, with the internal time delays and finite word length effects. Based on this descriptor model, the design and realization optimization for the estimator is thus achieved. To verify the effectiveness of the proposed methods mentioned above, a platform with two cooperative mobile robots is introduced as an illustrative example. Several simulations permit us to test and validate our different methodological contributions on a concrete and realistic problem.

Keywords: Networked Control System, Robust Control, Co-design Methodology, Stochastic LQ Control, H∞ filtering, Descriptor Model

Soutenance de thèse de Khaoula BOUKIR (équipe STR)

Khaoula Boukir, doctorante au sein de l’équipe STR, soutiendra sa thèse intitulée « Mise en œuvre de politiques d’ordonnancement temps réel multiprocesseur prouvée » / « Proven implementation of multiprocessor real-time scheduling policies »

mercredi 16 décembre 2020 à 10h en visio.

Lien de connexion : https://univ-nantes-fr.zoom.us/j/86296772127?pwd=RXFzQU1lem9tQzFsQXMySFc4cjRaZz09 (Meeting ID: 862 9677 2127 / Passcode: 960277)

Jury :
– Directeur de thèse : Jean-Luc Béchennec, Chargé de recherche, CNRS
– Co-encadrant : Anne-Marie Déplanche, Maître de conférences, Université de Nantes
– Rapporteurs : Claire Pagetti Ingénieur recherche, ONERA ; Emmanuel Grolleau, Professeur des universités, ISAE-ENSMA
– Autres membres : Isabelle Puaut, Professeur des universités, Université de Rennes 1 ; Pascal Richard, Professeur des universités, Université de Poitiers ; Pierre-Emmanuel Hladik, Maître de conférences, INSA de Toulouse ; Olivier-Henri Roux, Professeur des universités, Centrale Nantes

Résumé : L’implémentation d’une nouvelle politique d’ordonnancement au sein d’un système d’exploitation temps réel n’est pas une tâche facile. Le passage de la spécification littéraire abstraite d’une politique à mise en oeuvre sur une plateforme réelle exige que des choix de réalisation soient faits et que des contraintes de diverses natures inhérentes à cette dernière soient prises en compte. Par conséquent, l’implémentation d’un ordonnanceur doit impérativement être accompagnée d’un travail de vérification permettant d’apporter un niveau de confiance en la validant la conformité du comportement de l’ordonnanceur implémenté par rapport à sa spécification d’origine.
Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’utilisation des méthodes formelles pour la vérification des implémentations d’ordonnanceurs temps réel. Nous proposons une approche de vérification de type « model-checking », que nous conduisons sur des implémentations d’ordonnanceurs globaux menées au sein de Trampoline, un système d’exploitation temps réel conforme aux standardx OSEK/VDX et AUTOSAR. Pour chaque implémentation, un modèle décrivant son fonctionnement est élaboré avec des machines à états finis et temporisées. Ce modèle est stimulé par des générateurs produisant des scénarios indéterministes d’événements d’ordonnancement afin d’observer la réaction de l’implémentation à vérifier face à diverses situations. La vérification est alors menée en examinant la satisfaction d’une ensemble d’exigences spécifiées en fonction du comportement attendu de l’implémentation tel que stipulé dans la littérature. Cette approche a permis la vérification de la correction fonctionnelle du comportement de deux implémentations d’ordonnanceurs globaux dans Trampoline : G-EDF et EDF-US. Toutefois, son caractère modulaire et générique permet d’en envisager l’usage pour d’autres politiques et dans d’autres systèmes d’exploitation

Mots-clés : Politique d’ordonnancement temps réel, système d’exploitation temps réel, Implémentation d’ordonnancement, Model-checking

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Abstract: Implementing a new scheduling policy within a real-time operating system is not an easy rask. Moving from an abstract literary specification of a policy to its implementation within a real platform requires making choices of realization and considering various contraints inherent to the latter. Consequently, a scheduler implementation work shall imperatively be supported by a verification study allowing to bring a level of confidence by validating the conformity of the behavior of the implemented scheduler compared to its original specification. In this thesis, we are interested in the use of formal methods for the verification of real-time scheduler implementations. We propose a « modelchecking » approach, which we conduct on global
scheduler implementations carried out on Trampoline, a real-time operating system compliant with OSEK/VDX and AUTOSAR standards. For each implementation, a model describing its behavior is elaborated with finite state and timed machines. This model is stimulated by generators producing indeterministic scenarios of scheduling events in order to observe the reaction of the implementation under various situations. The verification is then conducted by examining the satisfaction of a set of specified requirements according to the expected behavior of the implementation as stipulated in the literature.
This approach allowed the verification of the functional correction of the behavior of two implementations of global schedulers in Trampoline: G-EDF and EDF-US. However, its modular and generic character allows to consider its use for other policies and in other operating systems.

Keywords: Real-time scheduling policy, Real-time operating system, Scheduer implementation, Model-checking

Soutenance de thèse d’Elodie PAQUET (équipe RoMaS)

Élodie Paquet, doctorante au sein de l’équipe ROMAS, soutiendra sa thèse intitulée « Développement d’un procédé de fabrication additive à base de matériaux expansifs pour des pièces de grandes dimensions » / « Development of an additive manufacturing process based on expansive materials for large part »

mercredi 4 novembre 2020 à 14h, dans l’amphithéâtre A-1/11 de l’IUT de la Fleuriaye à Nantes / et en visioconférence sur ZOOM

Jury :
– Directeur de thèse : Benoit FURET (Professeur des Universités, IUT de Nantes, Laboratoire LS2N).
– Encadrants : Sébastien GARNIER et Sébastien LE LOCH (Maîtres de conférences, IUT de Nantes, Laboratoire LS2N).
– Rapporteurs : Yann LANDON (Professeur des Universités, Laboratoire ICA, Université de Toulouse III -Paul Sabatier), Sylvain LAVERNHE (Professeur des Universités, Laboratoire LURPA, ENS Paris-Saclay)
– Examinateurs : Medhi CHERIF (Professeur des Universités, Laboratoire I2M, ENSAM Bordeaux), Alain BERNARD (Professeur des Universités, Laboratoire LS2N, École Centrale de Nantes), Nathalie LABONNOTE (Senior Research Scientist (Associate Professor), Laboratoire SINTEF, NTNU à Trondeim en Norvège)

Résumé : Les travaux scientifiques abordés dans le cadre de la thèse portent sur le développement d’un nouveau procédé d’impression 3D à partir de matériaux expansifs permettant la réalisation de pièces de forme complexe de grandes dimensions. Ce procédé est appelé FAM (Foam Additive Manufacturing) et exploité avec des moyens robotisés il sera mise en œuvre pour des cas d’applications dans les domaines de la construction et du nautisme. Cette technologie FAM consiste à déposer le long d’une trajectoire un polymère à l’état liquide qui va s’expanser et se solidifier en seulement quelques secondes. Sur ce premier cordon de matière solidifiée de nouvelles couches de matière vont pouvoir être imprimées, et ainsi de suite jusqu’à la pièce finale.
Les objectifs de la thèse sont de développer des modèles numériques pour simuler le procédé de fabrication additive en maitrisant l’expansion du matériau, identifier les paramètres influents, développer la chaîne numérique et optimiser le processus de fabrication. Après l’identification des paramètres intrinsèques d’expansion du matériau, les modèles qui ont été développés permettent d’obtenir la géométrie des cordons déposés et les champs de température vis-à-vis de la vitesse de dépose de matière couche par couche.Grâce à ces modèles numériques, il est possible d’analyser l’influence des paramètres opératoires sur les différents observables et donc d’avoir une meilleure compréhension des phénomènes impliqués afin de proposer une solution de stratégie optimisée d’impression 3d pour garantir la géométrie 3D de la pièce, la santé matière et la fabricabilité en fonction du moyen d’impression.

Mots-clés : Fabrication additive, matériaux expansifs, Fabrication grandes dimensions

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Abstract: Scientific work focuses on the development of a new 30 printing process from expansive materials, allowing the production of large-shaped complex parts. This process is called FAM (Foam Additive Manufacturing) and operated with robotic means it will be used for application cases in the fields of construction and boating. This FAM technology consists in depositing along a trajectory a polymer in the liquid state which will expand and solidify in just a few seconds. On this first layer of solidified material, new layers of material will be able to be printed, and so on until the final part. The objectives of the thesis are to develop digital models to simulate the additive manufacturing process by controlling the expansion of the material, identify the influencing parameters, develop the digital chain and optimize the manufacturing process.
After identifying the intrinsic parameters of expansion of the material, the models that have been developed make it possible to obtain the geometry of the deposited beads and the temperature fields with respect to the rate of deposition of material layer by layer. For producte digital models, it is possible to analyze the influence of the operating parameters on the different observables and therefore to have a better understanding of the phenomena involved in order to propose an optimized 3d printing strategy solution to guarantee 30 geometry of the part, the material health and the manufacturability according to the printing machinery.

Keywords: 30 Printing, Foam Additive Manufacturing Process, Large Scale.

Soutenance de thèse de Franco FUSCO (équipe ARMEN)

Franco Fusco, doctorant au sein de l’équipe ARMEN, soutiendra sa thèse intitulée « Asservissement Visuel Dynamique pour Bras Manipulateurs Rapides » / « Dynamic Visual Servoing for Fast Robotics Arms »

vendredi 27 novembre 2020 à 10h00 en visio.

Jury :
– Directeur de thèse : Philippe Martinet (Directeur de recherches, Inria Sophia-Antipolis Méditerranée)
– Co-encadrant : Olivier Kermorgant (Maitre de conférences, Centrale Nantes)
– Rapporteurs : Jacques Gangloff (Professeur des Universités, Télécom Physique Strasbourg) ; Olivier Stasse (Directeur de recherche, LAAS-CNRS)
– Autres membres : Guillaume Allibert (Maître de conférences, Université de Nice-Sophia Antipolis) ; Abdelhamid Chriette (Maître de conférences, Centrale Nantes) ; Estelle Courtial (Maître de conférences, Polytech Orléans) ; Isabelle Fantoni (Directrice de recherche, LS2N)

Résumé : Cette thèse traite de l’augmentation de la productivité des robots manufacturiers, lors de l’exécution de tâches référencées capteurs. De telles tâches peuvent provenir de la cible non positionnée de manière absolue ou d’un environnement mal connu. Les commandes par asservissement visuel sont bien connues pour leur robustesse et leur précision, mais nécessitent généralement de longs temps d’exécution en raison de différents facteurs. La commande est généralement formulée uniquement à un niveau cinématique et caractérisée par des vitesses décroissantes de façon exponentielle. De plus, l’application non linéaire de l’espace opérationnel à l’espace des capteurs peut conduire à des chemins sous-optimaux et plus longs. Pour augmenter les performances de commande et réduire le temps nécessaire à la réalisation d’une tâche, cette thèse étudie l’utilisation de modèles d’interaction de second ordre. Leur utilisation dans une commande au niveau dynamique est étudiée et comparée aux approches classiques. Ils sont ensuite utilisés dans des schémas de commande par modèle prédictif, permettant d’obtenir des vitesses plus élevées tout en générant de meilleures trajectoires. Cependant, un inconvénient des techniques prédictives est leur charge de calcul. Afin d’obtenir de pallier ce défaut, un nouveau type de commande prédictive est étudié. Il conduit à une réduction du nombre de variables impliquées dans les problèmes d’optimisation grâce à l’utilisation d’un paramétrage des séquences d’entrée.

Mots-clés : Asservissement Visuel, Commande par Modèle Prédictif, Manipulateurs Redondants

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Abstract: This thesis deals with increasing the productivity in manufacturing robots, when performing sensor-based tasks. Such tasks may be coming from the target not being absolutely positioned. Visual servoing control schemes are well known for their robustness and precision, but generally require long execution times due to different factors. Control laws are generally formulated only at a kinematic level and characterized by exponentially decreasing velocities. Moreover, the nonlinear map from the operational space to the sensor space can lead to sub-optimal and longer paths. To increase control performances and reduce the time required to complete a task, this thesis investigates the use of second-order interaction models. Their use in dynamic feedback control laws is investigated and compared to classical controllers. They are then employed in Model Predictive Control (MPC) schemes, allowing to obtain higher velocities and better sensor trajectories. However, a drawback of MPC techniques is their computational load. In order to obtain even better results, a new type of predictive control is thus investigated, leading to a reduced number of variables involved in MPC optimization problems thanks to the use of a parameterization of the control input sequences.

Keywords: Visual Servoing, Model Predictive Control, Redundant Manipulators

Soutenance de thèse de Matthieu FURET (équipe REV)

Matthieu Furet, doctorant au sein de l’équipe REV, soutiendra sa thèse intitulée « Analyse cinétostatique de mécanismes de tenségrité : Application à la modélisation de cous d’oiseaux et de manipulateurs bio-inpirés »/« Kinetostatic analysis of tensegrity mechanisms : Application to the modelling of bird necks and bio-inspired manipulators »

vendredi 13 novembre à 10h30, dans l’amphi du bâtiment S sur le site Centrae Nantes, et en visio (https://ec-nantes.zoom.us/j/93398314122 / ID de réunion : 933 9831 4122 / merci de nous demander le code secret).

Jury :
– Directeur de thèse : Philippe Wenger
– Rapporteurs : Pierre Renaud (ICube/INSA, Strasbourg), Med Amine Laribi (Pprime, Université de Poitiers)
– Examinateurs : Anick Abourachid (Mécadev/MNHN, Paris), David Daney (INRIA, Bordeaux), Stéphane Caro (LS2N), Christine Chevallereau (LS2N)

Résumé : Une structure de tenségrité est un assemblage d’éléments en compression (barres) et d’éléments en traction (câbles, ressorts) maintenus ensemble en équilibre. La tenségrité est connue en architecture et en art depuis plus d’un siècle et est adaptée à la modélisation des organismes vivants. Les mécanismes de tenségrité ont été étudiés plus récemment pour leurs propriétés prometteuses en robotique telles que la faible inertie, la souplesse naturelle et la capacité de déploiement. Un mécanisme de tenségrité est obtenu lorsqu’un ou plusieurs éléments sont actionnés, dans notre cas par des câbles. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet AVINECK, auquel participent des biologistes et des roboticiens dans un but double : avoir une meilleure compréhension de la nature et des cous d’oiseaux, et également de s’inspirer de la nature afin de concevoir des manipulateurs bio-inspirés innovants. En premier lieu, une étude a été menée sur la cinématique des vertèbres d’oiseaux. Une modélisation des contacts entre surface articulaire a permis de reconstruire en 3D le mouvement d’une vertèbre d’oiseau quelconque par rapport à une autre, à partir de scans 3D de vraies vertèbres. Ensuite, plusieurs mécanismes simples ont été comparés afin de déterminer le meilleur candidat à la modélisation de la cinématique des cous d’oiseaux. En second lieu, deux mécanismes de tenségrité à 1 degré de liberté (DDL) potentiellement intéressants pour la modélisation de cous d’oiseaux et la réalisation de manipulateurs ont été modélisés. A partir d’une démarche de conception optimale, deux mécanismes optimaux selon un critère donné ont été dimensionnés, puis comparés afin de déterminer le mécanisme le plus intéressant d’un point de vue conception de manipulateurs. Le mécanisme à 1 DDL retenu a été un anti-parallélogramme actionné de manière antagoniste, appelé mécanisme en X. Un prototype de manipulateur à 2 DDL a ensuite été conçu et réalisé. Une étude du modèle géométrique d’un tel manipulateur a mis en évidence des phénomènes intéressants comme le comportement cuspidal du robot sous certaines conditions. Une étude cinéto-statique du manipulateur a ensuite été effectuée. Le comportement du manipulateur dépendant fortement de la stratégie d’actionnement, celles-ci ont été énumérées et certaines d’entre elles comparées. Les résultats obtenus ont été vérifiés et mis en évidence sur un prototype. Enfin, la modélisation de manipulateurs plans a été étendue aux manipulateurs à N DDL. Un modèle dynamique complet a été obtenu, et une démarche de conception a été menée afin d’obtenir les dimensions et spécifications d’un manipulateur plan bio-inspiré à 10 DDL.

Mots-clés : Bio-inspiration, Cinétostatique, Tenségrité, Robotique, Conception optimale

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Abstract: A tensegrity structure is an assembly of elements in compression (bars) and elements in tension (cables, springs) held together in equilibrium. Tensegrity has been known in architecture and art for more than a century and is adapted to the modeling of living organisms. More recently, tensegrity mechanisms have been studied for their promising properties in robotics such as low inertia, natural flexibility and deployment capability. A tensegrity mechanism is obtained when one or more elements are actuated, in our case by cables. This thesis is part of the AVINECK project, in which biologists and roboticians are involved with a dual goal: to have a better understanding of nature and bird necks, and also to draw inspiration from nature in order to design innovative bio-inspired manipulators. First, a study was conducted on the kinematics of bird vertebrae. A modeling of the contacts between articular surfaces allowed to reconstruct in 3D the movement of any bird vertebra with respect to another, based on 3D scans of real vertebrae. Then, several simple mechanisms were compared in order to determine the best candidate for modeling the kinematics of bird necks. Secondly, two 1-degree of freedom (DDL) tensegrity mechanisms potentially interesting for bird neck modeling and manipulator realization were modeled. Starting from an optimal design approach, two optimal mechanisms according to a given criterion were dimensioned and then compared in order to determine the most interesting mechanism from a manipulator design point of view. The 1 DDL mechanism chosen was an antagonistically actuated anti-parallelogram, called the X mechanism. A prototype of a 2 DDL manipulator was then designed and built. A study of the geometrical model of such a manipulator revealed interesting phenomena such as the cuspidal behaviour of the robot under certain conditions. A kinetostatic study of the manipulator was then carried out. As the behavior of the manipulator strongly depends on the actuation strategy, these were listed and some of them were compared. The results obtained were verified and highlighted on a prototype. Finally, the modeling of plane manipulators was extended to N DDL manipulators. A complete dynamic model was obtained, and a design process was carried out to obtain the dimensions and specifications of a 10 DDL bio-inspired planar manipulator.

Keywords: Bio-inspiration, Kinetostatic, Tensegrity, Robotics, Optimal design

Soutenance de thèse de Minglei ZHU (équipe ARMEN)

Minglei Zhu, doctorant au sein de l’équipe ARMEN, soutiendra sa thèse intitulée « Conception de robot orientée commande » / « Control-based design of robots »

mardi 15 décembre 2020 à 10h, en salle B009 à Centrale Nantes.

Jury :
– Directeur de thèse : Sébastien Briot (Chargé de recherche, LS2N)
– Co-encadrant : Abdelhamid Chriette (Maître de conférences, ECN)
– Rapporteurs : Nicolas Andreff (Professeur des universités, Université de Franche-Comté), Philippe Martinet (Directeur de recherche, Inria)
– Autres membres : Claire Dune-Maillard (Maître de conférences, IUT Nantes), Philippe Wenger (Directeur de recherche, LS2N)

Résumé : Il est bien connu que les robots parallèles ont de nombreuses applications dans l’industrie grâce à leur rigidité élevée, leur charge utile élevée et leur capacité à atteindre des accélérations et vitesses élevées. Cependant, en raison de leur structure complexe, leur contrôle peut être difficile. Lorsqu’une précision élevée est nécessaire, un modèle complet du robot détaillé est nécessaire. Cependant, même un modèle détaillé souffre toujours d’inexactitudes par rapport à la réalité à cause d’erreurs d’assemblage et de fabrication du robot. Les approches de contrôle référencées capteurs se sont avérées plus efficaces, en termes de précision; que les contrôleurs basés modèles puisqu’elles s’affranchissent des modèles de robots complexes et des erreurs de modélisation associées. Néanmoins, lors de l’application d’un asservissement visuel, il y a toujours des problèmes dans le processus de contrôle, tels que les singularités du contrôle. Cette thèse propose une méthodologie de conception orientée commande qui prend en compte les performances de précision du contrôle dans le processus de conception du robot pour obtenir les paramètres géométriques optimaux de ce dernier. Dans le cadre ce travail de thèse, il a été question d’appliquer la méthodologie de conception orientée commande à la conception optimale de trois types de robots parallèles : le mécanisme cinq barres, le robot DELTA, et, enfin, la plate-forme de Gough-Stewart. Deux types de contrôleurs ont été envisagés pour le contrôle des mouvements des mécanismes cinq barres : les commandes basées sur l’observation des directions des jambes du robot et les commandes basées sur l’observation des lignes droites. Pour les robots DELTA et les plates-forme de Gough-Stewart, trois contrôleurs ont été sélectionnés : les commandes basées sur l’observation des directions des jambes, les commandes basées sur l’observation des lignes et les commandes basées sur des moments dans l’image. A partir de ces contrôleurs, des modèles d’erreur de positionnement prenant en compte l’erreur d’observation provenant de la caméra ont été développés et les singularités des contrôleurs ont été étudiées. Ensuite, les problèmes d’optimisation de la conception ont été formulés afin de trouver à la fois les paramètres géométriques optimaux et le placement optimal de la caméra pour ces trois types de robots parallèles et pour chaque type de contrôleur. Pour vérifier les performances en terme de précision des robots optimisés, nous avons effectué des co-simulations des robots optimisés avec les contrôleurs correspondants. En terme d’expérimentation, deux prototypes de robots DELTA ont été conçus et expérimentés afin de valider la précision du contrôleur. Les résultats des expériences menées ont permis la validation des performances du contrôleur obtenues à partir de la co-simulation et ont prouvé que l’asservissement visuel basé moment dans l’image est le meilleur contrôleur pour le contrôle du robot DELTA en comparaison des commandes basées sur l’observation des jambes.

Mots-clés : robots parallèles, asservissement visuel, conception orientée commande, robot caché, moment dans l’image

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Abstract: It is well-known that parallel robots have a lot of applications in industry for their high stiffness, high payload, can reach higher acceleration and speed. However, because of their complex structure, their control may be troublesome. When high accuracy is needed, the detailed robot model is necessary. However, even detailed models still suffer from the problem of inaccuracy in reality because of robot assembly and manufacturing errors. Sensor-based control approaches have been proven to be more efficient than model-based controllers in terms of accuracy since they overcome the complex robot models and inconsistency errors. Nevertheless, when applying the visual servoing, there are always some problems in the control process, such as the controller singularities. Thus, this thesis proposes a control-based design methodology which takes into account the accuracy performance of the controller in the design process to get the optimal geometric parameters of the robot. This thesis applied the control-based design methodology to the optimal design of three types of parallel robots: Five-bar mechanisms, DELTA robots, Gough-Stewart platforms. Two types of controllers are envisaged for the control of the motions of the Five-bar mechanisms: leg-direction based visual servoing and line-based visual servoing. For DELTA robots and Gough-Stewart platforms, three types of controllers are selected: leg-direction-based visual servoing, line-based visual servoing and image moment visual servoing. Based on these selected controllers, positioning error models taking into account the error of observation coming from the camera are developed and the controller singularities are studied. Then, design optimization problems are formulated in order to find the optimal geometric parameters and camera placement for these three types of parallel robots for each type of controller. Co-simulations of the robots optimized for the corresponding controllers are performed to check the accuracy performance of the robots obtained from the optimization. Two DELTA robot prototypes are designed and the experiments are performed with these two robots in order to validate the controller accuracy. The experiment results confirm the controller performance obtained from the co-simulation and prove that the image moment visual servoing is the best controller for the control of DELTA robot compared with leg-based visual servoing.

Keywords: parallel robots, visual servoing, control-based design, hidden robot, image moment

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