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Soutenance de thèse de Yishen ZHAO (équipe Commande)

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

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

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

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

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

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

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

Soutenance de thèse de Paul François (équipe IS3P)

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

le 15 avril 2021 à 14H, en Amphi E / Campus Centrale Nantes, et en visio.

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

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

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

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

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

 

Soutenance de thèse de Zhongmou LI (équipe ARMEN)

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

mercredi 31 mars 2021 à 9h30.

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

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

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

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


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

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

Soutenance de thèse d’Olivier BORDRON (équipe SIMS)

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

mardi 30 mars 2021 à 9h.

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

Jury :

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

Soutenance de thèse de Zhongchao QIAO (équipe Commande)

Zhongchao QIAO, doctorante au sein de l’équipe Commande, soutiendra sa thèse intitulée « Dynamique non-linéaire, applications au cryptage basé sur le chaos » / « Nonlinear dynamics, applications to chaos-based cryptography »

jeudi 25 février 2021 à 14h00, à Centrale Nantes (bât. E, salle 241). Possibilité d’assister à la soutenance via Zoom : https://ec-nantes.zoom.us/j/91263901780
(ID de réunion : 912 6390 1780).

Jury :
– Directeur de thèse : Mazen SAAD (Professeur des Universités)
– Co-encadrant : Ina TARALOVA (Maître de Conférences)
– Rapporteurs : Danièle FOURNIER-PRUNARET (Professeur des Universités, LAAS) ; Aziz ALAOUI (Professeur des Universités, Laboratoire des Mathématiques Appliquées du Havre).
– Autres membres : Safwan EL ASSAD (Examinateur, Maître de Conférences MCEX/HDR, IETR); Christophe GUYEUX (Examinateur, Professeur des Universités, Femto-St).

Résumé : Les systèmes chaotiques présentent des comportements dynamiques non-linéaires complexes. Ils possèdent des propriétés spécifiques, à la fois déterministes et pseudo-aléatoires, qui les rendent prometteurs pour la conception de crypto systèmes sécurisés. Les crypto systèmes basés sur le chaos peuvent être classés en chiffrement par flux et chiffrement par blocs. La conception d’un Générateur de Nombres Pseudo-Chaotiques (PCNG) présentant des propriétés pseudo-aléatoires et chaotiques imposées est cruciale pour la sécurité d’un crypto système. Cependant, des niveaux insuffisants de confusion et de diffusion dans l’algorithme de cryptage utilisant un PCNG pas assez performant conduisent à des failles de sécurité. La conception de cartes chaotiques à partir d’une fonction de variables réelles peut menacer la fiabilité d’un crypto système basé sur le chaos.
Pour cette raison nous proposons des cartes chaotiques reformulées sur un corps fini de nombres entiers codés sur 32 bits. Cela permet de surmonter les problèmes d’erreur de quantification et optimise ainsi l’utilisation des ressources informatiques. De plus, nous proposons deux nouveaux algorithmes de chiffrement, le premier est basé sur le chiffrement par flux utilisant un PCNG efficace. Le second est un chiffrement robuste par blocs qui est fondé sur des composants chaotiques et la S-box de l’Advanced Encryption Standard (AES). Ce dernier algorithme présente d’excellentes propriétés de confusion et de diffusion. Les propriétés statistiques ainsi que les cas tests standards de cryptage d’images ont été vérifiés pour les deux algorithmes qui se sont avérés être sûrs et fiables. En outre, un Générateur de Nombres Pseudo-Aléatoires (PRNG) basé sur un schéma de couplage de fonctions chaotiques innovant a été proposé. Les excellentes propriétés statistiques et chaotiques du générateur sont conservées pour un large choix de paramètres couplés. Le générateur proposé peut donc être utilisé pour des applications cryptographiques ou toutes applications nécessitant un PRNG.

Mots-clés : dynamique non-linéaire, système chaotique, crypto-système basé sur le chaos, algorithme de chiffrement, chiffrement de flux, chiffrement par bloc, générateur de nombres pseudo-aléatoires (PRNG)

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Abstract: Chaotic systems are known to exhibit complex nonlinear dynamics. They present both random-like and deterministic features, which render chaos-based cryptography very promising for the design of secure cryptosystems. Chaos-based cryptosystems can be classified into stream ciphers and block ciphers. A well designed pseudo-chaotic number generator (PCNG) with enhanced chaotic features and pseudo-randomness plays a crucial role in the security of a chaos-based cryptosystem. However, an insufficient level of confusion and diffusion in the encryption algorithm and unreliable PCNGs may lead to a security breach. Meanwhile, the adopted real number domain defined chaotic maps may menace the reliability of a chaos-based cryptosystem.
In this thesis, the chaotic maps under investigation have been reformulated over a finite N-bit (N=32) integer field, which overcomes the quantification problems and reduces resource utilization. In addition, a new stream cipher based on an efficient PCNG and a robust block cipher based on chaotic components and the S-box of Advanced Encryption Standard (AES) with excellent confusion and diffusion properties have been proposed. Both have been verified to be secure and reliable. Furthermore, a universal pseudo-random number generator (PRNG) framework based on a newly designed smart coupling of chaotic maps has been explored. It has good flexibility and can be used in cryptographic or other PRNG required applications.

Keywords: nonlinear dynamics, chaotic system, chaos-based cryptosystem, encryption algorithm, stream cipher, block cipher, pseudo-random number generator (PRNG)

Soutenance de thèse de Zane ZAKE (équipe RoMaS)

Zane Zake, doctorant au sein de l’équipe RoMaS, soutiendra sa thèse intitulée « Conception et analyse de stabilité de l’asservissement visuel sur des robots parallèles à câbles pour une amélioration de la précision » / « Design and Stability Analysis of Visual Servoing on Cable-Driven Parallel Robots for Accuracy Improvement »

vendredi 12 février 2021 à 13h45, dans l’amphi S sur le site Centrale Nantes, ou sur Zoom.

Jury :
– Directeur de thèse : Stéphane CARO (Directeur de recherche CNRS, LS2N, Nantes)
– Co-directeur : François CHAUMETTE (Directeur de recherche INRIA, IRISA, Rennes)
– Co-encadrant : Nicolò PEDEMONTE (Ingénieur R&D, IRT Jules Verne, Nantes)
– Rapporteurs : Jean-Pierre MERLET (Directeur de recherche, INRIA Sophia-Antipolis) ; Marc GOUTTEFARDE (Directeur de recherche CNRS, LIRMM, Montpellier)
– Autres membres : Nicolas ANDREFF (Professeur, Université de Franche-Comté, FEMTO-ST) ; Claire DUMAS (Ingénieure de recherche – robotique, Cutii)

Résumé : Cette thèse présente l’amélioration de la précision des robots parallèles à câbles (RPC) par l’asservissement visuel (AV) et l’utilisation de l’analyse de stabilité pour évaluer la robustesse du système robotique. Les RPC sont une sorte de robots parallèles avec des câbles au lieu de liaisons rigides. Ils sont caractérisés par un grand espace de travail, une charge utile et une reconfigurabilité élevées. En revanche, ils sont généralement peu précis, ce qui les empêche d’être largement utilisés. Avec une caméra embarquée sur la plateforme mobile (PM) et en contrôlant le RPC avec un AV, il est possible d’avoir une grande précision par rapport aux objets qu’elle perçoit. En effet, comme l’objet est constamment observé, la commande ne s’arrête que lorsque la précision souhaitée est atteinte. Cependant, la PM n’est pas observée et sa pose doit être estimée.
Les contributions de cette thèse sont les suivantes. Trois méthodes d’estimation de pose de PM ont été proposées et évaluées. Il a été constaté que l’estimation par intégration de commande est la plus polyvalente. Une analyse de Lyapunov a été réalisée sur un RPC planaire et spatial. Un lien entre la pose de la PM et la stabilité du système a été déterminé et un nouvel espace de travail appelé Control Stability Workspace a été défini. Il a été calculé pour plusieurs approches d’AV sur plusieurs RPC. L’impact de différentes perturbations et erreurs de modélisation a été évalué. Il a été montré que la précision du RPC reste toujours la même tant que le système est stable. Les perturbations du système n’affectent que la trajectoire vers l’objet, qui peut être amélioré en utilisant un suivi de trajectoire. Enfin, pour traiter les pertes de tension des câbles, un algorithme de correction de tension pour l’AV a été proposé et validé.

Mots-clés : Robots à câbles, précision, asservissement visuel, analyse de stabilité, espace de travail, commande


Abstract: This thesis presents accuracy improvement of Cable-Driven Parallel Robots (CDPRs) by Visual Servoing (VS) and the use of stability analysis to evaluate the robustness of the robotic system. CDPRs are a kind of parallel robots with cables instead of rigid links. They are characterized by a large workspace, a large payload capacity and reconfigurability. However, CDPRs lack accuracy, which prevents them to be widely used. With an onboard camera on the moving-platform (MP) used in VS control of CDPRs, it is possible to have high accuracy with respect to a target object. Indeed, as the object is perceived, the control is stopped only when the desired accuracy is achieved. However, the MP is not observed and its pose must thus be estimated.
The contributions of this thesis are the following. Three moving-platform pose estimation methods were proposed and evaluated on different tasks. It was found that estimation by control integration is the most versatile. Thorough Lyapunov stability analysis was performed on a planar and a spatial CDPRs. A link between the MP pose and the system stability was determined and thus a novel workspace named Control Stability Workspace was defined. It was computed for several VS approaches on multiple CDPRs. The impact of different perturbations and modeling errors was evaluated. In experimental validation it was shown that CDPR accuracy always remains the same as long as the system is stable. Perturbations in the system affect only the trajectory to the goal. It was shown that trajectory tracking greatly improves CDPR behavior despite the perturbations. Finally, to deal with cable slackness, a Tension Correction Algorithm for VS was proposed and validated.

Keywords: Cable robots, accuracy, visual servoing, stability analysis, workspace, control

Soutenance de thèse de Cheng ZHANG (équipe Commande)

Cheng Zhang, doctorant au sein de l’équipe Commande, soutiendra sa thèse intitulée « A contribution to the nonlinear control of floating wind turbines » / « Une contribution à la commande non linéaire d’éoliennes flottantes »

mardi 9 février 2021 à 10h30, en visioconférence.

Jury :
– Directeur de thèse : Franck PLESTAN
– Rapporteurs : Salah LAGHROUCHE (Maître de conférences-HDR, UTBM); Nacer K. M’SIRDI (Professeur des universités, Aix-Marseille Université)
– Autres membres : Xavier BRUN (Professeur des universités, INSA de Lyon); Carolina EVANGELISTA (Profesor Adjunto, Universidad Nacional de La Plata); GILLOTEAUX Jean-christophe (Ingénieur de recherche, École Centrale de Nantes); Sofien KERKENI (CEO, D-ICE Engineering)

Résumé : Les éoliennes flottantes permettent d’utiliser l’abondante ressource en vent présente au large des côtes, et sont considérées comme une source prometteuse d’énergie renouvelable. Cependant, en raison de dynamiques supplémentaires introduites par la plateforme flottante (notamment, le tangage), le contrôle d’une éolienne flottante doit être pensée afin de stabiliser le système tout en optimisant la production d’énergie.
Ce travail est consacré à la commande non linéaire d’éoliennes flottantes dans la région III, la classe de lois de commande proposée nécessitant une connaissance réduite en terme de modélisation du système. Les objectifs de la commande sont de maintenir la puissance produite à sa valeur nominale, tout en limitant le mouvement de tangage de la plateforme et les charges de fatigue sur la structure. Tout d’abord, une loi de commande adaptative basée sur le supertwisting est proposée, avec notamment une loi d’adaptation du gain très simple. Ensuite, en utilisant un contrôle collectif du pas des pales, ce nouvel algorithme de commande est appliqué sur un modèle d’éolienne flottante non linéaire et comparé à d’autres commandes adaptatives par modes glissants d’ordre 2. Dans un second temps, une machine synchrone à aimants permanents est supposée être installée dans l’éolienne flottante. L’utilisation du pas des pales (approche collective) et du couple du générateur permet d’atteindre les objectifs, à partir de lois de commande basées sur une approche adaptative par mode de glissement d’ordre 2. Une troisième partie est consacrée à l’étude d’une commande individuelle du pas des pales combinée à une commande collective. Il est montré qu’un tel algorithme limite la charge de fatigue des pales. Enfin, des lois de commande sont appliquées et comparées sur un système expérimental d’éolienne flottante placé dans un bassin à houle. Les performances des lois de commande basées sur les modes glissants sont évaluées par rapport à des approches de commande linéaire telles qu’un PI à gain variable, et une commande linéaire quadratique.

Mots-clés : éolienne flottante, commande adaptative, modes glissants d’ordre supérieur, contrôle du pas des pales

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Abstract: Floating wind turbines allow the use of the abundant wind resource in ocean area and are considered as a promising solution of renewable energy. However, due to the additional dynamics (especially the platform pitch motion) introduced by the floating platform, the control of a floating wind turbine must take such pitch motion into consideration to stabilize the system meanwhile optimizing the power output.
This work is dedicated to the nonlinear control of floating wind turbines in region III, this class of controllers requiring reduced knowledge of system modeling and parameter. The control objectives are to maintain the power output at its rated value, to reduce the platform pitch motion and to limit the fatigue load. Firstly, a simplified adaptive super-twisting is proposed. Then, by using collective blade pitch control, this algorithm and other adaptive high order sliding model algorithms are applied on a nonlinear floating wind turbine model. Secondly, a permanent magnet synchronous generator is supposed to be installed in the floating wind turbine. Both collective blade pitch control and generator torque control based on adaptive high-order sliding mode control are used to achieve the control objectives. Thirdly, individual blade pitch control combined with collective blade pitch control is employed. Such algorithm further reduces the fatigue load of blades. Finally, the proposed simplified adaptive super-twisting algorithm is validated on an experimental floating wind turbine set-up (with a spar-buoy platform) in a wave tank, and the control performances are evaluated versus linear control approaches such as gain-scheduled PI and linear–quadratic regulators.

Keywords: floating wind turbine, adaptive control, high-order sliding mode, blade pitch control

Soutenance de thèse d’Imad BERROUYNE (équipe NaoMod)

Imad Berrouyne, doctorant en cotutelle France Canada au sein de l’équipe NaoMod, soutiendra sa thèse intitulée « Une méthodologie fondée sur les modèles pour unifier l’ingénierie logicielle dans l’Internet des objets« / « A Model-Driven Methodology to Unify Software Engineering in the Internet of Things »

jeudi 4 févier 2021 à 15h (heure française), à l’Université du Québec à Chicoutimi (UQAC), Canada. La soutenance sera retransmise en streaming.

Jury :

  •  Directeur de thèse : Jean-Claude ROYER (Professeur, IMT-A)
  • Co-directeur : Massimo TISI (MCF, IMT-A)
  • Co-encadrant : Jean-Marie MOTTU (MCF, Université de Nantes)
  • Rapporteurs : Davide DI RUSCIO (MCF, University of L’Aquila, Italie) ; Yann-Gaël GUEHENEUC (Professeur, Concordia Université, Canada)
  • Autres membres : Mehdi ADDA (Professeur, Université du Québec à Rimouski) ; Abdenour BOUZOUANE (Professeur, Université du Québec à Chicoutimi) ; Luigi LOGRIPPO (Professeur, Université du Québec en Outaouais)

Résumé : L’Internet des objets (ldO) vise à connecter tout objet, partout, en tout temps (AAA). Cette hypothèse entraîne de nombreux défis en matière de génie logiciel. Ces défis constituent un sérieux obstacle à son adoption à grande échelle. L’une des principales caractéristiques de l’ldO est la généricité, c’est-à-dire permettre aux objets de se connecter de manière transparente, quelles que soient leurs technologies.
L’ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) est un paradigme qui préconise l’utilisation de modèles pour résoudre les problèmes de génie logiciel. L’IDM pourrait aider à répondre au besoin de généricité de l’ldO du point de vue du génie logiciel. Les approches d’IDM existantes se focalisent essentiellement sur la modélisation du comportement des objets. Peu d’attention a été accordée à la modélisation liée au réseau.
La présente thèse présente une méthodologie pour l’ldO basée sur l’IDM. Fondamentalement, elle fournit une solution pour créer des réseaux intelligents d’objets. Le principe que nous utilisons consiste à contourner l’hétérogénéité intrinsèque de l’ldO en séparant la spécification du réseau, c’est-à-dire les objets, le schéma de communication et les contraintes, de son implémentation concrète, c’est-à-dire les artefacts logiciels de bas niveau (par exemple, le code source). Techniquement, la méthodologie repose sur un langage dédié basé sur les modèles pour la spécification du réseau et une procédure pour la génération du code des artefacts de bas niveau à partir de cette spécification. L’adoption de cette méthodologie rend l’ingénierie logicielle des applications ldO plus rigoureuse, permet de prévenir les bogues plus tôt et de gagner du temps.

Mots-clés : Internet des objets, génie logiciel,ingénierie dirigée par les modèles, transformation des modèles, mise en œuvre des politiques, génération de code


Abstract: The Internet of Things (IoT) aims for connecting Anything, Anywhere, Anytime (AAA). This assumption brings about a good deal of software engineering challenges. These challenges constitute a serious obstacle to its wider adoption. A main feature of the Internet of Things (IoT) is genericity, i.e., enabling things to connect seamlessly regardless of their technologies. Model-Driven Engineering (MDE) is a paradigm that advocates using models to address software engineering problems. MDE could help to meet the genericity of the IoT from a software engineering perspective. In that sense, the IoT could be a requirement provider on the one hand and MDE its solution provider on the other. Existing MDE approaches focus on modeling the behavior of things. But, little attention has been paid to network-related modeling.
The present thesis presents a methodology for the IoT based on MDE. Fundamentally, it provides a solution to create smart networks of things. The principle we use consists of avoiding the intrinsic heterogeneity of the IoT by separating the specication of the network, i.e., the things, the communication scheme and the constraints, from their concrete implementation, i.e., the low-level artifacts (e.g., source code). Technically, the methodology relies on a model-based Domain-Specic Language (DSL) and a code generator. The former enables the specication of the network, and the latter provides a procedure to generate the low-level artifacts from this specication. The adoption of this methodology makes software engineering of IoT applications more rigorous, helps prevent bugs earlier and saves time.

Keywords: Internet of Things, Software Engineering, Model-Driven Engineering, Model Transformation, Policy Enforcement, Code Generation

Soutenance de thèse Thibault BEZIERS DE LA FOSSE (équipe NaoMod)

Thibault Béziers de La Fosse, doctorant au sein de l’équipe NaoMod, soutiendra sa thèse intitulée « Méthodes dirigées par les modèles pour l’analyse dynamique appliquées à l’ingénierie de logiciels verts » / « Model-driven Methods for Dynamic Analysis applied to Energy-Aware Software Engineering »

vendredi 29 janvier 2021 à 14h30, dans la salle immersive sur le site FST. La thèse sera retransmise en direct sur https://meet.jit.si/soutenanceThibaultBLF

Jury :
– Directeur de thèse : Gerson Sunyé – Associate Professor, HDR, Université de Nantes
– Co-directeur de thèse : Massimo Tisi – Associate Professor, IMT Atlantique
– Co-encadrant de thèse : Jérôme Rocheteau – Associate Professor, ICAM Nantes
– Rapporteurs : Ana Cavalli – Professor, Télécom Sud Paris ; Romain Rouvoy – Professor, University of Lille
– Examinateurs : Antoine Beugnard – Professor, IMT Atlantique ; Sébastien Mosser – Professor, Université du Québec à Montréal ; Gustavo Pinto – Associate Professor, Federal University of Pará
– Invité : Jean-Marie Mottu – Associate Professor, Université de Nantes

Résumé : L’ingénierie dirigée par les modèles est un processus de développement qui centralise l’utilisation de modèles à toutes les étapes de la création d’applications. Lors de la phase de conception d’une application, il est commun d’analyser son modèle afin de vérifier sa conformité. L’analyse statistique de modèle est courante, cependant le manque d’informations dynamiques dans les modèles freine la détection d’anomalies tôt dans le cycle de développement. La détection d’anomalies de consommation énergétique tôt dans le cycle de développement est importante, et nécessite d’analyser dynamiquement le modèle. Cette thèse présente deux approches permettant l’analyse dynamiques de modèles. Une première contribution injectes des traces d’exécution au sein de modèles de code source, et une seconde contribution génère une application de surveillance de système cyber-physique, à partir de son modèle de conception. Plusieurs analyses dynamiques sont effectués en se reposant sur ces approches, notamment dans le cadre de l’efficacité énergétique et de l’optimisation des tests de non régression.

Mots-clés : Ingénierie dirigée par les modèles; analyse dynamique; estimation énergétique; systèmes cyber-physiques


Abstract: Model-Driven Engineering (MDE) is a process that promotes models as the central key element for all phases in a software development lifecycle. Improving the quality of a software at design time can be done by performing analysis on the model it is designed with. Performing static analysis on models is extremely common during development phases, however the limited possibilities of dynamic analysis in models prevents early improvements of software and system. This lack of dynamic analysis options is especially important in the context of energy aware software engineering: good design choices must be done early in the development cycle to optimize the energy consumption. In this thesis we propose several approaches for performing dynamic analysis on models. A first contribution injects execution traces into source code model, and a second one generates monitoring application of cyber-physical system based on design model. Several dynamic analysis use-cases for energy-efficiency are presented: either for energy estimation or to lighten the cost of regression testing.

Keywords: Model-Driven Engineering; dynamic analysis; energy estimation; cyber-physical systems; regression test selection

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