Thèses soutenues 2021

Dans la communauté des robots mobiles, la recherche sur les véhicules autonomes fait l’objet d’un intérêt particulier depuis la dernière décennie. Cependant, le rôle des robots mobiles capables de livrer des marchandises comme solution de livraison sur le dernier kilomètre est toujours à l’étude. Le véhicule robotique urbain de transport de marchandises (FURBOT) est l’un de ces véhicules qui est développé en permanence pour résoudre le problème de livraison du dernier kilomètre. Trois aspects différents du véhicule, à savoir la navigation autonome, les capacités de manutention autonome des marchandises et la gestion technique associée à cette mise à niveau, sont étudiés dans cette thèse. Le point fort de la thèse concerne l’amélioration des capacités de la structure de manutention de marchandises déjà construite. Le résultat de cette recherche a permis d’apporter de nombreuses améliorations au véhicule, notamment la génération d’une position de stationnement autonome, la catégorisation correcte du véhicule, les exigences logicielles et matérielles du véhicule, la conservation de l’énergie dans le robot de manutention de palettes et la conception d’un jumeau numérique pour le véhicule. Des validations basées sur des simulations extensives ont été effectuées pour la recherche proposée ont produit des résultats souhaitables pour le véhicule et ont ainsi créé une base pour la voie à suivre afin de convertir le véhicule en un véhicule complètement autonome.

Les travaux de recherche effectués dans cette thèse traitent de l’optimisation dans la conception de lignes de production reconfigurables multi-produits. Ce type de lignes est caractérisé par leur capacité à traiter différents produits, où chacun d’entre eux nécessite une configuration adéquate de la ligne. Le passage d’une configuration de produit vers une autre implique que la ligne doit être reconfigurée en réaffectant certains tâches/modules entre les stations/machines disponibles. Ainsi, étant donné un ensemble de produits, les deux problèmes d’optimisation suivants sont étudiés. Le premier consiste à concevoir une configuration de ligne admissible pour chaque produit de telle sorte que le nombre de réaffectations de tâches soit minimisé. Le deuxième problème, quant à lui, vise à identifier le nombre minimal de modules nécessaire pour fabriquer tous les produits. Pour ces deux problèmes, nous avons initialement proposé une formulation PLNE. Ensuite, nous avons développé une approche heuristique, nommée Halt-and-Fix, pour le premier problème, et une méthode de décomposition pour le second. Ces deux problèmes ouvrent la voie à des perspectives de recherche intéressantes.

Les systèmes de chaînes de blocs sont des registres répliqués dans un réseau pair à pair. Elles ont connu un développement rapide depuis quelques années en s'illustrant dans de nombreux domaines d'activités. En permettant le traitement et la sauvegarde de données dans un contexte distribué et Byzantin, ces technologies ont le potentiel de modifier de nombreux secteurs. Par exemple, dans le cadre de la finance décentralisée, les cryptomonnaies se développement comme une alternative aux monnaies fiduciaires en proposant un système de paiement dépourvu de tiers de confiance. Cependant, une certaine inquiétude vis-à-vis de l’impact environnemental des chaînes de blocs a émergé en parallèle de leur développement. En particulier, de nombreuses recherches ont démontré le coût énergétique important des chaînes basées sur les preuves de travail. Dans cette thèse, nous proposons de contribuer à l'étude expérimentale du coût énergétique des solutions logicielles basées sur les chaînes de blocs. Face à l'enrichissement progressif de l'écosystème lié aux chaînes de blocs, nous proposons BCTMark, un nouvel outil de déploiement et d'évaluation des performances des chaînes de blocs. Partant de cet outil, nous concentrons notre étude sur l'impact des contrats intelligents sur la chaîne de blocs Ethereum. D'une part, nous proposons un modèle pour l'estimation du coût énergétique des contrats intelligents développé pour Ethereum. D'autre part, nous proposons un nouveau protocole pour l'identification et l'élimination des contrats non utilisés dans le but de proposer des chaînes de blocs plus frugales en calculs et espaces de stockages.

La planification de la production est une étape importante dans de nombreux secteurs industriels. Définir la production pour répondre à la demande, s'assurer d'avoir un niveau de stock adéquat et maîtriser sa capacité de production sont des tâches complexes. L'utilisation d'outils mathématiques pour optimiser les prises de décision dans la planification de la production est donc totalement pertinent pour les industriels. Dans cette thèse, nous nous intéressons à des problèmes de planification de la production dans le domaine de l'agroalimentaire rencontrés par VIF, une entreprise spécialisée dans la création de logiciel pour ce secteur. Nous nous concentrons sur la modélisation et la résolution du problème de lot-sizing sous différentes contraintes : capacité finie, rupture sur la demande, séquence de production, machines parallèles, etc. Nous proposons plusieurs modélisations mathématiques et des heuristiques pour résoudre ce problème. La première heuristique se base sur une décomposition du problème en sous-problèmes résolus de façon itérative. Nous proposons ensuite un algorithme de pré-traitement basé sur une approche de regroupement pour diminuer la taille du problème. Finalement, nous proposons une approche de résolution en trois phases dans laquelle les décisions relatives à notre problème sont séparées et résolues indépendamment.

Les systemes biologiques representent une grande source d’inspiration pour les roboticiens. Les systemes de tensegrite, composes d’elements rigides et d’elements en tension, sont particulierement adaptes pour la bio-inspiration puisque l’on retrouve ces systemes directement dans divers systemes biologiques. Dans cette these, nous etudions un manipulateur inspire du cou des oiseaux. Ce manipulateur est un empilement de modules qui possedent chacun un degre de liberte. Chaque module est un mecanisme de tensegrite compose de quatre barres et deux ressorts. Le manipulateur est actionne a l’aide de cables, ainsi tous les moteurs se situent a sa base. Le modele geometrique et le modele dynamique du manipulateur sont developpes, puis une analyse de l’actionnement et de l’espace de travail statique du manipulateur est menee. Un actionnement avec quatre cables est selectionne pour un prototype compose de trois modules. Ce prototype n’a pas de mesure directe des orientations des modules, deux methodes pour calculer ces orientations en fonction des positions moteurs sont donc proposees. Une identification des frottements moteurs et de l’elasticite des cables est menee afin d’ameliorer les performances de la commande du prototype, et d’avoir un simulateur efficace. Trois commandes sont developpees et testees sur le prototype : une commande articulaire, une commande dans l’espace des moteurs et une commande dans l’espace operationnel. Des trajectoires sont ensuite optimisees dans le but de produire des mouvements en minimisant les forces appliquees ou de produire des mouvements a grande vitesse, comme peut le faire le pic lorsqu’il frappe un tronc d’arbre avec son bec. La these se termine sur une ouverture vers un manipulateur sousactionne constitue d’une dizaine de modules.

Une forte personnalisation de produits et des fréquentes fluctuations du marché poussent les entreprises industrielles à utiliser des lignes d’assemblage à modèles multiples/mixtes, flexibles et reconfigurables plutôt que des lignes dédiées. Cette thèse de doctorat est consacrée à cette problématique. Elle est portée principalement sur la conception et l’équilibrage de lignes d’assemblage à modèles mixtes. Les questions de l’efficacité de telles lignes, l’importance d’affectation optimale de tâches et d’utilisation des opérateurs mobiles sont posées et étudiées. Pour augmenter la flexibilité de la ligne, nous prenons en compte différents types d’affectation des tâches : fixe, dépendant du modèle et dynamique. Nous cherchons à concevoir une ligne qui peut gérer la variété possible de produits entrants. Nous utilisons des techniques d’optimisation combinatoire, et, en particulier, des approches d’optimisation robuste. Nous présentons une revue extensive de la littérature sur l’équilibrage des lignes, la planification des opérateurs et les stratégies de reconfiguration de lignes via la réaffectation des opérateurs. Le premier problème de la thèse porte sur la sélection de configuration entre une ligne unique à multi-modèles et plusieurs lignes dédiées. Le second problème consiste à concevoir et à équilibrer une ligne d’assemblage à modèles mixtes avec des opérateurs mobiles. Nous proposons des affectations de tâches fixes et dépendantes du modèle pour une gamme donnée de produits entrants sur la ligne. L’objectif est de minimiser le coût total de la ligne composé des coûts d’opérateurs et d’équipement dans le pire des cas. Le troisième problème est une extension du deuxième, où les tâches peuvent être affectées de manière dynamique. Enfin, dans le dernier, quatrième problème, nous étendons le troisième problème au cas où la séquence de produits est découverte takt par takt. Dans ce contexte, nous minimisons à la fois l’espérance mathématique de coût total et le coût dans le pire des cas. Afin de résoudre ces problèmes, nous développons plusieurs méthodes exactes et des heuristiques : des modèles de programmation linéaire en variables mixtes, un algorithme glouton, une recherche locale, une matheuristique et une heuristique de type " fixer et optimiser ", entre autres. Nous appliquons également un processus de décision markovien au dernier problème, ce qui représente la première étude qui utilise cette approche pour l’équilibrage de lignes dans la littérature. Des expériences numériques évaluent la performance des modèles proposés en termes de la qualité de solution et du temps de calcul. Nous tirons des conclusions managériales dans chaque chapitre. Nos résultats montrent la supériorité de l’affectation dynamique des tâches par rapport aux affectations fixes et dépendantes de modèle dans différentes situations de production.

La conteneurisation est une forme de virtualisation de niveau système d’exploitation présentant de bonnes propriétés de performances et de simplicité de déploiement ; elle facilite la réutilisation du code. Les conteneurs sont donc massivement utilisés aujourd’hui. Toutefois, de par leur grande surface d’attaque et les vulnérabilités qu’ils peuvent souvent contenir, les conteneurs posent de nouveaux enjeux de sécurité. Les nombreuses approches défensives existantes ne suffisent pas à répondre à toutes leurs problématiques de sécurité. Dans cette thèse, nous montrons que la programmabilité du noyau permet de déployer des services de sécurité innovants pour améliorer la sécurité des conteneurs. Après avoir montré les spécificités des environnements conteneurs et leur problématiques et opportunités de sécurité, nous présentons le design et l’implémentation de SNAPPY, une nouvelle infrastructure logicielle permettant de mettre en place des politiques de sécurité programmables à grain fin de niveau noyau, particulièrement adaptée à la protection des conteneurs. Nous présentons également SecuHub,une nouvelle infrastructure logicielle de distribution unifiée de politiques de mitigation pour CVE (Common Vulnerabilities and Exposures), permettant donc aux conteneurs de se protéger simplement contre les vulnérabilités connues. Nous montrons finalement que le surcoût en performance de SecuHub etSNAPPY est minimal.

L’objectif de ces travaux est de fournir un modèle permettant la prédiction de la survie et l’identification de biomarqueurs dans le contexte du myélome multiple (MM) à l’aide de l’imagerie TEP (Tomographie à émission de positons) et de données cliniques. Cette thèse fut divisée en deux parties : La première permet d’obtenir un modèle basé sur les forêts de survie aléatoires (RSF). La seconde est basée sur l’adaptation de l’apprentissage profond à la survie et à nos données. Les contributions principales sont les suivantes : 1) Production d’un modèle basé sur les RSF et les images TEP permettant la prédiction d’un groupe de risque pour les patients atteints de MM.2) Détermination de biomarqueurs grâce à ce modèle3) Démonstration de l’intérêt des radiomiques TEP 4) Extension de l’état de l’art des méthodes d’adaptation de l’apprentissage profond à une petite base de données et à de petitesimages 5) Étude des fonctions de coût utilisées en survie. De plus, nous sommes, à notre connaissance, les premiers à investiguer l’utilisation des RSF dans le contexte du MM et des images TEP, à utiliser du pré-entraînement auto-supervisé avec des images TEP et, avec une tâche de survie, à adapter la fonction de coût triplet à la survie et à adapter un réseau de neurones convolutionnels à la survie du MM à partir de lésions TEP.

L'objectif de cette thèse est de développer une méthode de génération de mouvements de marche inspirés de l'humain et adaptés à la plateforme robotique Romeo. La marche recherchée reprend les caractéristiques essentielles de la marche humaine (trajectoire du centre de masse, mouvements du pied libre et des bras) tout en conservant un équilibre dynamique du robot. Une étude bibliographique des mouvements humains permet d'établir les caractéristiques essentielles de la marche qui doivent être conservées. Ces caractéristiques sont ensuite adaptées aux capacités de la plateforme robotique (limites en couple, position, vitesse et accélération des articulations). Un mouvement de marche périodique est généré grâce à l'utilisation du Modèle Essentiel et des caractéristiques définies précédemment. Ces mouvements de marche périodiques sont ensuite enrichis d'une phase de démarrage et d'une phase d'arrêt. La marche complète ainsi obtenue est testée en simulation et sur la plateforme physique.

Le contrôle des formations basées sur les bearings (direction relative à l’observateur) permettent aux flottes de quadrirotors de se déplacer vers une géométrie désirée, en utilisant des mesures extraites de caméras embarquées. Des travaux antérieurs ont traité les quadrirotors comme des intégrateurs, et donc la formation doit ralentir de manière à compenser les non-linéarités non modélisées. Cette thèse a pour objectif d’atteindre des formations rapides en tenant compte des dynamiques non-linéaires du quadrirotor et des mesures visuelles. Deux contrôleurs sont développés, à savoir un contrôleur basé sur un asservissement visuel dynamique et une commande prédictive, montrant des performances améliorées avec des contraintes réelles. Toutes les formations basées sur des bearings dépendent d’un degré suffisant de rigidité. Bien que celui-ci puisse être évalué numériquement, la rigidité est une fonction de la position de tous les robots dans la flotte. Ceci étant, les travaux précédents ne pouvaient pas garantir la rigidité pour des formations plus larges que quelques robots. La deuxième contribution de cette thèse est l’évaluation des géométries singulières où une certaine formation rigide devient flexible. Ceci mène à un système de classification basé sur des contractions d’ensembles de contraintes, qui permet d’identifier les géométries singulières pour des grandes formations afin de garantir la rigidité.

L’objectif de cette thèse est la conception de nouveaux effecteurs polyvalents et souples pour les robots collaboratifs, qui sont basés sur des mécanismes de tenségrité multi-segments à double-triangle qui peuvent être actionnés indépendamment pour obtenir la configuration désirée avec de bonne propriétés de rigidité. Contrairement aux effecteurs rigides conventionnels, l'analyse de la rigidité a démontré que ce type de mécanisme peut atteindre une grande flexibilité ; les concepteurs peuvent évaluer la sensibilité de la rigidité de ce mécanisme par rapport à une configuration initiale arbitraire pour différentes combinaisons de paramètres géométriques, de charge externes et de précontraintes des ressorts. Le phénomène de flambage et de quasi-flambage de ce mécanisme sous chargements a été étudié. Une méthode analytique permettant de calculer la force critique de flambage pour cette structure avec un nombre arbitraire de segments a été proposée. Elle est basée sur l'analyse des valeurs propres d'une matrice dépendant des paramètres géométriques et élastostatiques. Cela permet aux concepteurs de prédire ou d'éviter les états dangereux de ce mécanisme en modifiant correctement les paramètres géométriques et les entrées de la commande. De plus, les stratégies de contrôle cinématique basées sur l'optimisation ont été proposées dans cette thèse, ce qui permet à ce mécanisme multi-segment redondant d'atteindre l'emplacement d’une cible et d'éviter les collisions entre l’effecteur et le corps du robot et les obstacles de l'espace de travail. Les avantages de la technique développée sont confirmés par la simulation informatique, et les résultats montrent que ce mécanisme redondant en série a une capacité de changement de forme très flexible tout en traversant l'espace de travail.

L’objectif de cette thèse est la conception de nouveaux effecteurs polyvalents et souples pour les robots collaboratifs, qui sont basés sur des mécanismes de tenségrité multisegments à double-triangle qui peuvent être actionnés indépendamment pour obtenir la configuration désirée avec de bonne propriétés de rigidité. Contrairement aux effecteurs rigides conventionnels, l'analyse de la rigidité a démontré que ce type de mécanisme peut atteindre une grande flexibilité ; les concepteurs peuvent évaluer la sensibilité de la rigidité de ce mécanisme par rapport à une configuration initiale arbitraire pour différentes combinaisonsde paramètres géométriques, de charge externes et de précontraintes des ressorts. Le phénomène de flambage et de quasi-flambage de ce mécanisme sous chargements a été étudié. Une méthode analytique permettant de calculer la force critique de flambage pour cette structure avec un nombre arbitraire de segments a été proposée. Elle est basée sur l'analyse des valeurs propres d'une matrice dépendant des paramètres géométriques et élastostatiques. Cela permet aux concepteurs de prédire ou d'éviter les états dangereux de ce mécanisme en modifiant correctement les paramètres géométriques et les entrées de lacommande. De plus, les stratégies de contrôle cinématique basées sur l'optimisation ont été proposées dans cette thèse, ce qui permet à ce mécanisme multi-segment redondant d'atteindre l'emplacement d’une cible et d'éviter les collisions entre l’effecteur et le corps du robot et les obstacles de l'espace de travail. Les avantages de la technique développée sont confirmés par la simulation informatique, et les résultats montrent que ce mécanisme redondant en série a une capacité de changement de forme très flexible tout en traversant l'espace de travail.

Dans les systèmes tels que les Foglets utilisés dans le projet O’Browser, ou les systèmes multi-thread modernes, de nouveaux processus peuvent arriver au cours de l’exécution : nous appelons cela les systèmes ouverts. Cela nous amène à étudier la puissance de synchronisation des objets distribués, et plus particulièrement la faisabilité des constructions universelles, sous cette nouvelle hypothèse. Cette thèse présente les résultats obtenus sur l’universalité du consensus et l’extension de la hiérarchie wait-free de Herlihy dans les systèmes ouverts, ainsi qu’une étude de complexité et une solution sur les constructions universelles faiblement cohérentes.

Dans le contexte de l’industrie du futur, les réseaux cognitifs sont une solution pour améliorer la fiabilité des réseaux informatiques et industriels. Ils sont capables d’optimiser automatiquement les différents paramètres protocolaires afin d’accomplir un ou plusieurs objectifs de qualité de service. Très peu de réseaux cognitifs ont été implémentés en totalité. La plupart des auteurs ont préféré se concentrer sur l’amélioration d’une fonctionnalité comme le routage. Dans cette thèse, nous suivons cette approche en proposant d’évaluer et d’améliorer l’algorithme Q-routing, algorithme de routage conçu par Boyan et Littman en 1994 et inspiré de Q-learning. Nous proposons une implémentation de Q-routing et des améliorations pour résoudre deux problèmes : les optimums locaux causés par la stratégie gloutonne de Q-routing et l’estimation du délai. Les optimums locaux privent Q-routing des routes ayant été congestionnées même momentanément. Pour résoudre ce problème, nous proposons deux approches inspirées des travaux sur l’apprentissage par renforcement. Par ailleurs, la qualité de l’estimation du délai est importante car elle est utilisée pour calculer la métrique de routage. Nous proposons d’utiliser une méthode de filtrage afin d’améliorer la qualité de l’estimation du délai de transmission. Nous évaluons notre implémentation et nos améliorations sur le simulateur réseau Qualnet incluant des topologies sans-fil et dans des scénarios avec mobilité. Nous montrons que Q-routing peut livrer plus de paquets et plus rapidement que le protocole de routage standardisé OLSRv2.

Le developpement de sondes multielements et les progres continus en electronique ont favorise l’emergence des methodes d’imagerie ultrasonore pour le controle non-destructif (CND). En particulier, les approches lineaires de type formation de voies sont largement utilisees pour leur simplicite et leur rapidite, rendant possible l’imagerie en temps reel. Neanmoins, la resolution et le contraste des images reconstruites sont limites par la nature oscillante de l’onde ultrasonore. Cette these aborde l’imagerie ultrasonore sous l’angle des problemes inverses. La reconstruction de l’image de reflectivite a partir de mesures ultrasonores, dont l’information est limitee par la bande passante des transducteurs, est un probleme inverse mal pose. Dans ces travaux, nous adoptons des techniques d’inversion par regularisation favorisant la reconstruction de solutions a la fois parcimonieuses et lisses spatialement, i.e., d’extension spatiale limitee. Nous cherchons ainsi a reconstruire une carte de reflectivite d’un milieu globalement sain, ne contenant eventuellement que quelques reflecteurs de petite taille. Une premiere contribution decrit la mise en oeuvre et l’inversion d’un modele lineaire reliant les donnees brutes de grande taille a la reflectivite du milieu, via un operateur contenant les formes d’ondes ultrasonores. Un deuxieme axe est base sur la projection du modele de donnees ultrasonores dans l’espace image via une technique de formation de voies. L’inversion du modele resultant, de plus petite taille, est alors interpretee comme un probleme de deconvolution a reponse impulsionnelle variable spatialement et a bruit colore. Un modele interpolateur est propose, permettant une inversion rapide. Un dernier axe de travail adapte ces methodes a des milieux ayant des proprietes acoustiques complexes telles que l’attenuation frequentielle et la dispersion, pour lesquels l’onde acoustique se deforme lors de sa propagation. Les methodes proposees sont evaluees sur des donnees synthetiques et appliquees a des exemples concrets de CND. Un pouvoir de resolution bien superieur aux methodes standard est obtenu, au prix d’une complexite calculatoire plus elevee.

Le cancer du sein est un des plus répandus chez la femme. Le dépistage systématique permet de baisser le taux de mortalité mais crée une charge de travail importante pour les professionnels de santé. Des outils d’aide au diagnostic sont conçus pour réduire ladite charge, mais un niveau de performance élevé est attendu. Les techniques d’apprentissage profond peuvent palier les limitations des algorithmes de traitement d’image traditionnel et apporter une véritable aide à la décision. Néanmoins, plusieurs verrous technologiques sont associés à l’apprentissage profond appliqué à l’imagerie du sein, tels que l’hétérogénéité et le déséquilibre de données, le manque d’annotations, ainsi que la haute résolution d’imagerie. Confrontés auxdits verrous, nous abordons la problématique d’aide au diagnostic de plusieurs angles et nous proposons plusieurs méthodes constituant un outil complet. Ainsi, nous proposons deux méthodes d’évaluation de densité du sein étant un des facteur de risque, une méthode de détection d’anormalités, une technique d’estimation d’incertitude d’un classifieur basé sur des réseaux neuronaux, et une méthode de transfert de connaissances depuis mammographie 2D vers l’imagerie de tomosynthèse. Nos méthodes contribuent notamment à l’état de l’art des méthodes d’apprentissage faible et ouvrent des nouvelles voies de recherche.

Les technologies de fabrication additive (FA) donnent de plus en plus de liberté de conception aux concepteurs et aux ingénieurs pour concevoir et définir des géométries et des compositions de matériaux très complexes. En raison d'un traitement couche par couche, les contraintes, méthodes, outils et processus de conception en FA sont différents de ceux des processus de fabrication traditionnels. Les méthodes et outils de conception traditionnels ne peuvent pas répondre aux besoins de la conception en FA. Par conséquent, un nouveau domaine de recherche, la conception pour la FA (Design for AM - DfAM), a émergé pour répondre à ce besoin. Cependant, les méthodes de DfAM existantes sont soit des lignes directrices, soit des outils de calculs, qui ont une prise en compte limitée des contraintes couplées le long de la chaîne de traitement numérique de la FA et peinent à garantir la fabricabilité de la conception en FA. Pour contribuer à l’obtention d’une conception qualifiée en FA, ce travail de thèse se concentre sur trois problèmes existants typiques dans le domaine du DfAM : premièrement, com-ment assurer la fabricabilité dans le processus d’optimisation topologique ? Deuxièmement, comment concevoir des structures de supports allégées, faciles à retirer pour le post-traitement et de diffusion de chaleur conviviales pour assurer la précision de la forme et améliorer la rugosité de surface des pièces imprimées ? Enfin, comment éviter les pertes de précision lors de la préparation de l'impression de structures en treillis complexes et assurer leur fabricabilité lors de la conception ?Pour résoudre les trois problèmes identifiés, ce travail de thèse propose un ensemble de nouvelles méthodes de conception générative constructive : 1. Méthode de conception générative basée sur un modèle CSG pour assurer la fabricabilité dans l'optimisation de la topologie de la structure allégée ; 2. Méthode de conception générative constructive basée sur des modèles pour optimiser la conception de la structure de supports et 3. Conception constructive inversée basée sur les « parcours d'outils » pour obtenir directement des modèles de traitement de structures poreuses ou de réseaux complexes correspondants avec des « parcours d'outils » pour obtenir directement des modèles de traitement de structures poreuses ou de réseaux complexes correspondants avec des « parcours d'outils » d'impression qualifiés. Les trois méthodes proposées intègrent les contraintes de processus de FA, réalisent un contrôle paramétrique et économisent des coûts de calcul dans le processus de conception pour obtenir un ensemble de solutions de conception candidates avec une fabrication garantie. Un ensemble d'études comparatives avec les méthodes DfAM existantes et quelques études de cas expérimentaux dans des applications médicales ont démontré les avantages des méthodes proposées. Ces méthodes constructives peuvent avoir un grand potentiel d'application pour être adoptées comme outils de conception et de prise de décision pour d'autres applications industrielles lorsqu'un DfAM qualifié est requis.

Dans cette thèse nous proposons un formalisme de définition des configurations des RMS basé sur la modularité du système, incluant à la fois les aspects physique et logique (jusqu’ici considérés séparément dans la littérature), et les aspects performance (KPI) et modèle (simulation de flux) répondant aux exigences de l'industrie 4.0 (l'architecture RAMI 4.0). La vision modulaire permet une description et une analyse précise et conduit à une meilleure connaissance du système pour conduire une reconfiguration. Un modèle de données de référence émerge de cette vision modulaire et est utilisé pour générer la base de données de configurations, socle de la démarche de choix de nouvelles configurations proposées. Cette démarche vise la capitalisation des données de configurations passées, présentes et potentiellement futures du système, afin de répondre aux besoins de proactivité, réutilisation de données et plus généralement de gestion des connaissances dans un processus de reconfiguration. Une métrique permettant d'évaluer l'incidence de la reconfiguration est proposée afin d’assurer un choix de configuration judicieux. Un exemple illustratif et deux cas d’étude industriels ont été conduits. Ils permettent de valider la pertinence de l’approche proposée et aussi de montrer que l’approche est valable tant pour des systèmes matures que pour des systèmes encore en conception. L’approche ouvre de nouvelles perspectives pour des RMS holoniquement contrôlés. Cependant, la notion d’agrégation (données, logiques de contrôle, modèles) ainsi que le manque d’automatisation de la démarche de choix constituent des limites à la proposition mais représentent aussi des axes de réflexions pour de futurs travaux.

Au cours des deux dernières décennies, la programmation par contraintes s'est illustrée de par son efficacité à résoudre des problèmes d'ordonnancement. Grâce à la grande expressivité permise par le paradigme, différents algorithmes et techniques de résolution provenant d'autres domaines de l'Optimisation Combinatoire ont pu être intégrés au sein des solveurs de contraintes. Toutefois, cette grande expressivité fait que les solveurs ne sont pas des boîtes noires et demandent une expertise pour être paramétrés correctement pour résoudre efficacement les problèmes souhaités. Dans cette thèse, nous explorons l'introduction et l'utilisation d'algorithmes de liste ordonnée en programmation par contraintes pour résoudre des problèmes d'ordonnancement. Nous revisitons également la contrainte AllDiffPrec, définie comme une contrainte Alldifferent et des précédences entre variables, pour laquelle nous proposons également un nouvel algorithme de filtrage.

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux problématiques soulevées par l'optimisation des tournées de véhicules pour la livraison en milieu urbain. Nous nous sommes attachés à la problématique des ressources synchronisées. Le contexte urbain impose des contraintes sur l'espace utilisable. Dans les modèles théoriques développés, cela se traduit par des contraintes de ressources communes à tous les véhicules. Le premier problème que nous avons développé traite de la livraison de colis avec fenêtre horaire en considérant de multiples options de livraison pour chaque commande. La synchronisation de ressources entre les livreurs vient de la prise en compte d'un niveau de service global ainsi que de la capacité de lieux de livraison partagé, tels que des consignes. Le second problème traité vise à optimiser la collecte et la livraison de colis via un système logistique à deux échelons. Les ressources synchronisées sont alors la capacité de stockage des entrepôts intermédiaires, appelé satellites. Pour résoudre ces problèmes, nous avons développé des méthodes de recherche à voisinage large basé sur de petites destructions. Nous avons aussi étudié leur hybridation avec la résolution de modèles MIP et de la programmation dynamique. Ainsi, nos méthodes sont catégorisées comme matheuristiques.

L’évolution du paradigme d’Informatique en nuage au cours de la dernière décennie a permis de démocratiser les services à la demande de manière significative (plus simple d’accès, économiquement attrayant, etc.). Cependant, le modèle actuel construit autour de quelques centres de données de très grande taille ne permettra pas de répondre aux besoins des nouveaux usages liés notamment à l’essor de l’Internet des Objets. Pour mieux répondre à ces nouvelles exigences (en termes de latence, volumétrie, etc.), les ressources de calculs et de stockages doivent être déployées à proximité de l’utilisateur. Dans le cas des opérateurs de télécommunications, les points de présence réseau qu’ils opèrent depuis toujours peuvent être étendus à moindre coût pour héberger ces ressources. La question devient alors : comment gérer une telle infrastructure nativement géo-distribuée (référencée dans le manuscrit sous l’acronyme DCI pour Distributed Cloud Infrastructure) afin d’offrir aux utilisateurs finaux les mêmes services qui ont fait le succès du modèle actuel d’Informatique en nuage. Dans cette thèse réalisée dans un contexte industriel avec Orange Labs, nous étudions le problème de la gestion distribuée de la connectivité entre plusieurs sites d’une DCI et proposons d’y répondre en utilisant les principes des réseaux définis par logiciel (connus sous les termes "Software Defined Network"). De manière plus précise, nous rappelons les problèmes et les limitations concernant la gestion centralisée, et ensuite, examinons les défis pour aller vers un modèle distribué, notamment pour les services liés à la virtualisation réseaux. Nous fournissons une analyse des principaux contrôleurs SDN distribués en indiquant s’ils sont capables ou non de répondre aux défis des DCIs. Sur cette étude détaillée, qui est une première contribution en soi, nous proposons la solution DIMINET, un service en charge de fournir une connectivité à la demande entre plu-sieurs sites. DIMINET s’appuie sur une architecture distribuée où les instances collaborent entre elles à la demande et avec un échange de trafic minimal pour assurer la gestion de la connectivité. Les leçons apprises durant cette étude nous permettent de proposer les prémisses d’une généralisation afin de pouvoir ”distribuer” d’une manière non intrusive n’importe quels services en charge de gérer une infrastructure géo-distribuée.

Les problèmes de type Pick & Place (PAP) sont très étudiés dans la littérature, mais, à notre connaissance, très peu de travaux étudient les systèmes de PAP dans un contexte industriel. L’objectif de cette thèse est la résolution d’un problème industriel de type PAP au sein d’un centre de tri postal, où des bacs remplis de courriers arrivent dynamiquement et dans un ordre inconnu, et où des opérateurs placent ces bacs dans des chariots en fonction de leur destination. Compte tenu de la diversité importante des destinations journalières, un équilibre doit être trouvé en temps réel entre les flux traités par les humains et par le robot. Ce problème a été résolu en quatre phases. En premier lieu, des modèles à base de connaissance ont été proposés à partir de l’expérience de l’opérateur logistique. Le résultat de l’application de ces modèles sur une simulation du système réel est considéré comme une borne inférieure de la performance du système. En second lieu, un modèle mathématique du système a été établi, le relâchement de plusieurs contraintes permettant de traiter le problème comme un problème d’ordonnancement classique. Les résultats de cet ordonnancement, inapplicables sur le terrain, nous ont conduits à investiguer l’utilisation d’heuristiques en ligne. Une troisième étape a été de proposer un modèle heuristique, à base de règles dynamiques, évaluée en simulation. Enfin, un modèle multiagents, intégrant ces règles de décisions, a été développé afin de valider l’applicabilité d’un tel système de pilotage sur le système réel.

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 DDL 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.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la Chaire entre Renault et Centrale Nantes pour l’amélioration des performances des véhicules hybrides et électriques. La thèse est dédiée au développement de stratégies de contrôle pour un véhicule hybride série sans la batterie principale. En mode hybride série, le moteur à combustion interne est couplé à un générateur électrique pour produire la puissance utilisée par un deuxième moteur électrique pour propulser le véhicule. En l’absence de la batterie principale, le groupe motopropulseur possède deux petits tampons d’énergie, ce qui rend le système sensible à des faibles perturbations. De plus, le système a la particularité d’avoir trois échelles de temps différents, ce qui a conduit à plusieurs partitionnements des lois de commande. Ce partitionnement a été fait afin de maintenir le niveau de chaque tampon d’énergie, repousser les perturbations et améliorer le fonctionne ment du groupe motopropulseur. Après avoir sélectionné une stratégie, les interrogations scientifiques ont porté sur la compréhension du couplage entre chaque échelle de temps et la stabilité du système. L’interaction entre les étages de contrôle a été étudiée avec l’approche des perturbations singulières et améliorée avec des observateurs. Les algorithmes et stratégies développés ont été testés en simulation et sur banc d’essai. Les résultats obtenus ont mis en évidence la faisabilité et les avantages des stratégies proposées dans la thèse.

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.

La fabrication additive hybride (HAM) devient de plus en plus importante pour obtenir des produits d'utilisation finale. Cependant, quelques problèmes persistent à toutes les étapes de la chaîne de traitement de HAM et cette thèse rapporte les études sur la planification des processus. L'ensemble de la recherche propose des méthodes pour trois tâches clés de la planification des processus en HAM à un niveau relativement général. Les principales méthodes proposées comprennent la génération et l'optimisation du volume initial, la planification des séquences et la planification des trajectoires. Pour démontrer ces méthodes proposées, un ensemble de cas de simulation numérique est utilisé pour la démonstration. Un procédé HAM spécial, la pulvérisation à froid avec usinage CNC, est adopté pour définir les exigences de l'application et les contraintes de fabrication dans le calcul. Cependant, l'objectif de cette recherche est de développer des méthodes génériques pour plus de processus HAM, où des systèmes multi-axes sont appliqués. En modifiant les contraintes de fabrication, les méthodes proposées et les algorithmes mis en œuvre pourraient être adoptés pour de larges applications CAPP dans différents processus HAM.

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 exercée 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 comprendre et modéliser le processus d'adaptation réciproque du conducteur et de l'assistance au fil de l'usage. Au-delà de l'analyse comportementale souvent adoptée dans la littérature, 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 montre l’intérêt du modèle cybernétique proposé. Ils pourront à l’avenir être mis à profit pour le développement de nouveaux systèmes de contrôle latéral.

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.

Cette thèse propose un nouveau concept de robot de manipulation aérienne appelé Flying Gripper. Ce robot est un manipulateur aérien, 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. Les principaux apports de ces travaux sont: (1) 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) une méthode pour analyser des torseurs disponibles en tenant compte des contraintes d'égalité et d'inégalité imposées par les limites d'actionnement, les butées mécaniques et les relations d'équilibre; (3) une commande prédictive permettant de manipuler l'objet saisie avec une masse, des inerties et un centre de masse inconnus; (4) un algorithme d'allocation de contrôle dynamique pour la distribution de l'effort de contrôle, de manière à optimiser l'efficacité énergétique et à assurer la continuité de la commande, en considérant les limites mécaniques du robot.Des simulations numériques et des tests expérimentaux ont été effectués pour valider les performances du contrôleur.

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 H2/H∞. 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 maîtrisée est manifeste.