Thèses soutenues 2023

Dans cette thèse, j'étudie l’interaction entre la théorie des types et la continuité, un concept mathématique formalisant l’intuition qu’une fonction ne peut interroger qu’une partie finie de son argument avant de renvoyer une valeur Dans le premier chapitre, je décris la théorie des types et mon prisme de lecture: la correspondance preuve-programme, ou isomorphisme de Curry-Howard, qui affirme que calcul et preuve sont deux faces d’une même pièce. J’y explique comment la théorie des types bute encore sur l’intégration de principes dits classiques, comme l’axiome du choix ou le tiers- exclu. Dans le deuxième chapitre, j’analyse les différentes définition de la continuité, et comment celles-ci diffèrent les unes des autres d’un point de vue logique. Dans le troisième chapitre, je présente une première tentative d’intégration de la continuité en théorie des types, à travers un modèle syntaxique d’une théorie des types particulières, appelée Baclofen Type Theory. Enfin, dans le dernier chapitre, je détaille une théorie des types où toutes les fonctions sont continues, et présente des résultats préliminaires de normalisation de cette théorie.

Face à la complexité croissante des chaînes logistiques, l’utilisation d’outils d’aide à la décision automatisés devient nécessaire pour appréhender les multiples sources d’incertitude susceptibles de les impacter tout en garantissant un niveau de performance élevé. Pour répondre à ces objectif, les managers ont de plus en plus recours à des approches capables d’améliorer la résilience des chaînes logistiques en proposant des solutions robustes face aux aléas, pour garantir à la fois la qualité de service et la maîtrise des coûts liés à la production, au stockage et au transport de biens. Alors que la collecte et l’analyse des données occupe une place croissante dans la stratégie des entreprises, la bonne exploitation de ces informations afin de caractériser plus précisément ces incertitudes et leur impact sur les opérations devient un enjeu majeur pour optimiser les systèmes de production et de distribution modernes. Cette thèse se positionne au cœur de ces nouveaux défis en développant différentes méthodes d’optimisation mathématiques reposant sur l’utilisation de données historiques, dans le but de proposer des solutions robustes à plusieurs problèmes d’approvisionnement et de planification de production. Des expérimentations numériques sur des applications de natures diverses permettent de comparer ces nouvelles techniques à plusieurs autres approches classiques de la littérature pour valider leur pertinence en pratique. Les résultats obtenus démontrent l’intérêt de ces contributions, qui offrent des performances moyennes comparables tout en réduisant leur variabilité en contexte incertain. En particulier, les solutions restent satisfaisantes lorsqu’elles sont confrontées à des scenarios extrêmes, dont la probabilité d’apparition est faible. Enfin, les temps de résolution des procédures développées restent compétitifs et laissent envisager la possibilité d’une mise en œuvre sur des cas d’application à l’échelle industrielle.

L’asservissement visuel est un domaine mature dont le formalisme est bien établi. L’un de ses principaux objectifs est lecontrôle d’un robot à l’aide des informations visuelles provenant d’une caméra, qui est généralement montée sur l’effecteur du robot. Même si l’asservissement visuel a conduit à de nombreuses applications réussies, son analyse de stabilité reste une question théorique ouverte, en particulier pour l’asservissement visuel basé image. Dans cette thèse, nous avons exploré en profondeur les propriétés de stabilité de ces systèmes, à la fois en développant de nouveaux outils théoriquesqui nous permettent d’étudier la stabilité des systèmes à énergie décroissante et en définissant une stratégie qui rend le calcul de l’ensemble complet des équilibres résolvable dans le contexte de l’asservissement visuel. Grâce à notre nouvelle méthodologie, qui s’inspire des théories de Lyapunov et de Morse, nous avons pu caractériser rigoureusement l’interconnexion entre les équilibres de ces systèmes et proposer les régions d’attraction indépendante des contrôleurs des équilibres stables, ce qui a permis d’éclairer d’un jour nouveau le comportement de ces systèmes. De plus, les outils que nous avons développés nous ont permis de synthétiser un nouveau paradigme de contrôle, que nous appelons meta-contrôleur, qui fournit une amélioration substantielle de la taille de la région, d’attraction de la pose souhaitée, mettant enévidence l’importance de la compréhension de la stabilité de ces systèmes, et l’importance des points selles pour son analyse.

Les robots parallèles continus (RPCs) sont des manipulateurs utilisant plusieurs tiges flexibles disposées en parallèle et connectées à une plateforme rigide. Les RCPs promettent des capacités de charge et une précision plus élevée queles robots sériels continus, tout en gardant une grande flexibilité. Puisque le risque de blessure lors d’un contact accidentel entre un humain et un CPR devrait être réduit, les RCPs peuvent être utilisés dans des tâches collaboratives à grande échelle ou dans de tâches de chirurgie robotique assistée. Différentes architectures de RCP existent, mais la conception du prototype est rarement basée sur des considérations de performance, et la réalisation de RCPs est principalement à partir d’intuitions en utilisant d’architectures de manipulateurs parallèles rigides. Les thèmes de recherche de cette thèseportent sur l’analyse des performances des RCPs, et sur les outils nécessaires à une telle évaluation, ainsi que sur les algorithmes de calcul de leur espace de travail. En particulier, les stratégies de calcul de l’espace de travail pour les RCPs sont essentielles pour l’´évaluation de la performance, car l’espace de travail peut être utilisé comment un indice deperformance, par exemple pour des outils de conception optimale. Deux nouveaux algorithmes de calcul de l’espace de travail sont proposés dans ce manuscrit, le premier se concentrant sur le calcul du volume de l’espace de travail et la certification de ses résultats numériques, et le second sur le calcul des bords de l’espace de travail uniquement. Enraison de la nature ´élastique des RCPs, un indicateur de performance essentiel pour ces robots est la stabilité de leurs configurations d’équilibre. Cette thèse propose la validation expérimentale de l’´évaluation de la stabilité des équilibres sur un prototype réel, démontrant les limites de certaines hypothèses couramment utilisées. De plus, un indice de performance mesurant la distance à l’instabilité est proposé dans ce manuscrit. Contrairement à la majorité des approches existantes, l’avantage évident de l’indice proposé est une signification physique bien défini.

En mathématiques comme en informatique, il est d’usage de faire appel à des outils numériques de vérification pour augmenter la confiance dans les preuves et les logiciels. La pratique la plus commune est le test, mais elle est limitée. Les assistants de preuve interactifs sont des outils permettant d’effectuer des preuves avec une grande confiance, laissant l’humain trouver les idées des preuves tout en vérifiant méticuleusement que toutes les étapes de la preuve sont valides. Cette thèse s’inscrit dans une lignée de travaux visant à automatiser les preuves, avec l’objectif final de répandre l’usage des assistants de preuve à la place du test logiciel, partout où cela est possible et pertinent. On s’intéresse ici au partage de théorie formelle entre plu- sieurs représentations différentes d’un même concept mathématique, ou plusieurs implémentations d’une même spécification. Sur le plan théorique, cette étude s’appuie sur l’ana- lyse de traductions de paramétricité pour le Calcul des Constructions, et en propose une généralisation. Ces résultats s’incarnent dans la conception de deux outils de transfert de preuve, TRAKT et TROCQ, dont on discute ici l’implémentation, à l’aide du méta-langage COQ-ELPI.

Utiliser des modèles dynamiques pour révéler les propriétés dynamiques des réseaux de régulation des gènes peut nous aider à mieux comprendre la nature de ces systèmes biologiques et à développer nouveaux traitements médicaux. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur une classe de systèmes dynamiques hybrides appelés réseaux de régulation des gènes hybrides (HGRN) et visons à analyser les propriétés dynamiques à long terme. Nous proposons des méthodes pour trouver des cycles limites et analyser leur stabilité, et pour analyser l’accessibilité dans HGRNs. Ceci est suivi d’une étude plus approfondie de certains réseaux d’intérêt pour la biologie des systèmes : Les répressilateurs, et nous trouvons des conditions pour l’existence d’oscillations soutenues dans le répressilateur canonique en dimension 3, et des conditions, décrites par les caractéristiques topologiques des réseaux, pour l’existence d’un attracteur périodique dans les répressilateurs discrets en dimension 4. En résumé, cette thèse propose de nouvelles méthodes pour analyser certaines propriétés des HGRNs qui n’ont pas été étudiées auparavant, par exemple la stabilité des cycles limites à N dimensions, l’accessibilité, etc. Les résultats pourront être développés à l’avenir pour étudier d’autres grands réseaux complexes.

Malgré les nombreux efforts en cours pour développer des questions dans le domaine de la robotique, il existe tout autant deproblèmes ouverts et non résolus. Cette thèse se propose donc de s'attaquer à certains défis, dans le but d'effleurer la surface et de faire émerger de nouvelles idées ou de nouvelles voies. Les thèmes abordés seront divisés en deux parties. La première concerne le développement et l'amélioration des techniques de contrôle des systèmes robotiques à câbles. La seconde se concentre sur l'étude des variétés persistantes constituant des aspects de la cinématique théorique. En détail,- la partie I concerne les robots parallèles à câbles. Elle développe à la fois une technique de calcul des tensions à appliquer aux câbles et la conception d'un contrôleur robuste.L'objectif est donc d'améliorer les deux éléments de base constituant le schéma de commande général d'un robot afin d'accroître les performances lors de l'exécution d'une task;- La deuxième partie est dédiée à la cinématique théorique. La découverte et la classification des systèmes \textit{invariants}de torseurs ont permis d'éclairer de nombreux aspects de la mobilité et de la synthèse des chaînes cinématiques. De plus, cette dernière a généré l'émergence de nouvelles idées et de questions encore non résolues. Parmi cellesci, l'une des plus connues concerne l'identification et la classification des variétés persistantes à 5 dimensions.

Les travaux de cette thèse s’intéressent à la modélisation et le développement de mécanismes permettant une exécution efficace sur des systèmes alimentés par une énergie intermittente tels que les capteurs sans fil. De tels systèmes sont alimentés par énergie renouvelable via un petit tampon d’énergie sous la forme d’un supercondensateur. La contributionprincipale est l’exploration d’une approche consciente de l’énergie pour les supports d’exécution intermittents. Tout d’abord, nous proposons d’utiliser les réseaux de Petri temporels à coût afin de modéliser de tels systèmes et nous proposons une extension de cette sémantique afin de résoudre un problème d’ordonnancement maximisant une variable sous contraintede coût. En combinant le modèle proposé et une approche pire cas, nous générons un ordonnancement fiable pour les systèmes intermittents qui ne commence aucunes opérations sans la certitude de les finir vis-à-vis de l’énergie disponible. Nous avons ensuite utilisé cet ordonnancement dans un support d’exécution basé sur un système d’exploitation temps-réelpour gérer l’intermittence. Ce support d’exécution utilise un modèle de consommation de l’énergie du système intermittent afin de minimiser les opérations liées à l’exécution intermittente et d’assurer la continuité des opérations de l’application malgré les interruptions fréquentes d’alimentation. Ces travaux ont été jusqu’à la mise en oeuvre pratique d’un tel supportd’exécution sur une étude de cas concernant la détection de chant des oiseaux

Les robots nageurs élancés, inspirés par des serpents aquatiques ou des anguilles, gagnent en popularité au milieu académique. Ils sont manœuvrable et écoénergétiques par rapport aux navires autonomes de surface. Cependant, ils souffrent d’instabilité sur la surface de l’eau dans des conditions extrêmes (houle, vent, débris de surface). Le processus de stabilisation pour ces nageurs multicorps élancés reste une question ouverte. Le projet SSSNAEQ cherche à résoudre ce problème en s’inspirant des serpents pour stabiliser ces robots de manière active. À travers cet objectif, un nouveau robot serpentiforme, nommé NATRIX, a été développé, équipé des “organes” bio-inspiré localisés dans le cou et le long du corps pour réaliser une stabilisation active. Dans ce cadre, cette thèse reporte l’exploration de la stabilité statique et dynamique du robot sur la surface de l’eau sous l’aspect de simulation numérique. Elle porte d’abord sur la modélisation géométrique, cinématique et dynamique du robot. Basées sur ces modèles, deux nouvelles stratégies en boucle ouverte et boucle fermée sur le contrôle postural ont été proposées. Ces lois de contrôle permettent de calculer les trajectoires articulaires qui stabilisent la posture du robot sur la surface de l’eau pour des poses statiques ou lors de la nage. Ensuite, nous reportons une résonance paramétrique auto-excitée au cours de la nage cyclique, provoquant le chavirement du robot à travers un mouvement de roulis illimité. Le processus physique de cette instabilité est lié aux mouvements internes du robot, différents de celui des navires monocoque [69]. Un template de stabilité, différent de celui pour les locomoteurs bipèdes [123], a été développé pour prédire cette instabilité. À la fin, on a confirmé que, en exploitant les organes additionnels, cette instabilité est considérablement atténuée. Ces travaux représentent des premières briques méthodologiques, ouvrant la voie à un contrôle actif de la stabilisation des robots serpents nageurs sur la surface de l’eau.

Dans l’état actuel du Web sémantique, le développement d’applications intelligentes reposant sur un graphe de connaissances dé- centralisé accessible en ligne demeure un rêve lointain. D’une part, les SPARQL end- points publics font face à de graves problèmes d’accessibilité. De l’autre, les moteurs de requête fédérée, qui permettent aux utilisateurs d’interroger de manière transparente plusieurs SPARQL endpoints, ne passent pas à l’échelle. Ainsi, des milliards de triples RDF sont disponibles mais restent inaccessibles. Bien que diverses solutions aient été proposées, elles présentent toutes des problèmes de performance importants. Dans cette thèse, nous proposons différentes solutions pour sur- monter ces limitations. Pour commencer, nous étendons le modèle de la préemption Web afin de fournir un service de requête SPARQL public, fiable, et efficace. Ensuite, nous proposons un nouvel algorithme d’optimisation pour les requêtes SPARQL conjonctives qui contiennent des filtres et des expressions property path. Enfin, nous proposons un nouveau moteur de requête fédérée capable d’interroger efficacement une fédération de serveurs SPARQL de la taille du Linked Open Data Cloud.

Cette thèse étudie les articulations et les manipulateurs inspirés de la tenségrité, équipés de ressorts et actionnés de manière redondante par des câbles antagonistes. La redondance de l’actionnement est exploitée pour moduler leur rigidité dans une configuration donnée. La condition pour obtenir une corrélation positive entre les forces d’actionnement et la rigidité est obtenue pour une articulation générale à un seul degré de liberté (1-DDL). Ce phénomène, appelé coactivationdans les articulations biologiques, permet d’améliorer l’efficacité énergétique. Parmi les articulations à pivot (R) et les mécanismes symétriques à quatre barres, l’antiparallélogramme (X) offre la plus grande amplitude de mouvement avec coactivation. C’est pourquoi un manipulateur planaire 2-DDL avec deux articulations X est conçu. Deux schémas d’actionnement avec quatre et trois câbles, respectivement, sont examinés pour ce manipulateur. Les performances en termes d’espace de travail, de vitesse, de force et de rigidité sont comparées pour les deux schémas. Les considérations de conception de tels manipulateurs, à savoir les limites des articulations, la faisabilité mécanique des ressorts et la resistancedes barres, sont abordées. L’optimisation de la conception et la comparaison des manipulateurs 2-X et 2-R sont effectuées avec des spécifications identiques en matière de charge utile et d’espace de travail. Enfin, une articulation X modifiée est développée avec seulement des articulations sphériques, et un manipulateur spatial 3-X inspiré de la tenségrité est construit et étudié.

La plupart des unités de production d'électricité d'origine renouvelable déployées ces dernières années sont par nature intermittentes. En l'absence de solution de stockage à grande échelle, la production et la consommation d'électricité doivent être constamment équilibrées pour garantir la stabilité du réseau. Ce rôle, traditionnellement occupé par les centrales thermiques à flamme, tend de plus en plus à être assuré par les centrales nucléaires. Ainsi, cette thèse vise à améliorer la flexibilité des réacteurs nucléaires à eau sous pression afin de répondre aux futurs besoins du réseau électrique. Pour ce faire, plusieurs systèmes de contrôle du coeur du réacteur ont été conçus en se basant sur des méthodes avancées du domaine de l'automatique, à savoir la commande prédictive et la commande à gains séquencés. Un modèle non-linéaire de réacteur multi-mailles, destiné à la synthèse de lois de commande, a notamment dû être développé. De complexité juste suffisante, il est bien adapté à des fins de prédiction court terme. La solution finalement proposée comporte deux volets : 1) un système temps réel d’aide au pilotage (brevet monde), qui fait désormais partie de l’offre commerciale de Framatome, et 2) une solution de pilotage hiérarchique compatible avec les boucles de régulation de température existantes, dont les performances sont nettement accrues en termes de flexibilité et de respect des contraintes opérationnelles, par rapport aux modes de pilotage actuels. Cette solution s'appuie sur les techniques d'implémentation de commande prédictive non-linéaire les mieux adaptées.

Ce manuscrit présente une étude sur l’application de commandes par modes glissants adaptatives (premier ordre et supertwisting) à un système robotique. Un manipulateur aérien composé d’un quadrirotor équipé d’un bras manipulateurrigide à deux degrés de liberté est considéré, le travail s’attachant au suivi de trajectoires complexes, en agissant sur l’altitude et l’attitude du quadrotor et le positionnement du bras manipulateur. Un simulateur complet a été développé.L’enjeu a été d’évaluer la capacité du système à suivre des trajectoires de mouvements hélicoïdaux en présence de perturbations (forces externes) ou d’incertitudes (masse embarquée). Pour cela, des lois de commande basées sur la théorie des modes glissants ont été proposées : la nature robuste de ce type d’approches, couplée à leur caractèreadaptatif, a motivé leur usage pour la première fois dans ce cadre applicatif. Une analyse détaillée des performances de cesnouvelles approches de commande a été faite en simulation, ainsi qu’une comparaison avec des approches plus classiques, notamment avec/sans présence de perturbations externes et avec/sans présence d’un chargement de masse ponctuelle à l’extrémité du bras du manipulateur.

Cette thèse explore le Jumeau Numérique (JN) dans le contexte des systèmes de production manufacturiers. Elle élargit la définition du JN en intégrant des aspects de soutenabilité, mettant en avant l'efficacité et la durabilité dans le cycle de vie des JNs. L'étude se concentre ensuite sur les systèmes à événements discrets, révélant leur complexité événementielle. Elle développe des mécanismes de synchronisation pour améliorer la modélisation et des méthodes robustes pour renforcer la détection d'anomalies. Ces approches utilisent l'apprentissage automatique et les retours des opérateurs pour surveiller les performances et identifier les dérives. Une étude de cas sur une ligne d'assemblage confirme l'efficacité de ces approches. La thèse aborde également les systèmes à variables continues, en se penchant sur la consommation d'énergie d'un équipement industriel. Elle propose des méthodologies de génération de modèles basés sur les données dont une méthode est basée sur les densités de probabilités et une autre basée sur des intervalles pour quantifier les incertitudes. Enfin, cette recherche ouvre une perspective passionnante après la détection d'anomalies, notamment en matière de reconfiguration, de diagnostics et d’intégration de l’humain. Ces possibilités permettent de gérer les aléas de manière proactive, contribuant ainsi à l'amélioration globale des systèmes de production

Les robots cuspidaux sont des robots qui possèdent au moins une région connectée avec de multiples solutions cinématiques inverses. Cela permet aux robots cuspidaux de changer de solutions sans traverser de singularités.Cette thèse doctorale présente une étude théorique sur l’analyse cuspidale des robots sériels à 3 articulations rotatives (3R). La thèse présente également des algorithmes d’identification pour déterminer la cuspidalité des robots génériques à 6R. Ensuite, l’application de la cuspidalité est présentée en abordant les problèmes et en développant un cadre de planification de trajectoire pour les robots commerciaux cuspidaux. Une conclusion est apportée à la conjecture sur les robots cuspidaux à 3R à la suite du travail présenté, et la question du nombre d’aspects dans un robot générique à 3R est éclaircie. Une preuve de l’existence d’aspects réduits pour un robot générique à 3R est également présentée. La preuve présentée sur la cuspidalité des robots à 6R est réexaminée, et la nécessité de prêter attention au sujet de lacuspidalité dans la planification de trajectoire est d’autant plus motivée. Les problèmes critiques existant dans les robots commerciauxà 6R, largement ignorés, sont exposés, et uncadre de planification de trajectoire pour leuratténuation est présenté

Les robots cuspidaux sont des robots qui possèdent au moins une région connectée avec de multiples solutions cinématiques inverses. Cela permet aux robots cuspidaux de changer de solutions sans traverser de singularités. Cette thèse doctorale présente une étude théorique sur l’analyse cuspidale des robots sériels à 3 articulations rotatives (3R). La thèse présente également des algorithmes d’identification pour déterminer la cuspidalité des robots génériques à 6R. Ensuite, l’application de la cuspidalité est présentée en abordant les problèmes et en développant un cadre de planification de trajectoire pour les robots commerciaux cuspidaux. Une conclusion est apportée à la conjecture sur les robots cuspidaux à 3R à la suite du travail présenté, et la question du nombre d’aspects dans un robot générique à 3R est éclaircie. Une preuve de l’existence d’aspects réduits pour un robot générique à 3R est également présentée. La preuve présentée sur la cuspidalité des robots à 6R est réexaminée, et la nécessité de prêter attention au sujet de la cuspidalité dans la planification de trajectoire est d’autant plus motivée. Les problèmes critiques existant dans les robots commerciaux à 6R, largement ignorés, sont exposés, et un cadre de planification de trajectoire pour leur atténuation est présenté.

La détection précise d’objets 3D est un enjeu majeur pour l’intégration sécurisée des véhicules autonomes dans le trafic routier. Le LiDAR, offrant des mesures de profondeur précises et relativement denses, est très présent dans les bases de données deréférence. Cependant, ses nuages de points sont clairsemés à longue distance et soumis aux occlusions. L’état de l’art propose alors des techniques de suréchantillonnage, par fusion avec des caméras ou par distillation des connaissances, afin d’obtenir de bonnes détections. La première méthode permet de reconstruire la profondeur des pixels afin de générer des points supplémentaires tandis que la seconde vise à obtenir des nuages de points imitant ceux sans occlusion ni dispersion. Comme ces approches utilisent des mesures obtenues par le véhicule ego à chaque pas de temps, la détection est inévitablement affectée par ces régions inobservables. Conscient des limites des méthodes à perspective unique, ces travaux de thèse s’efforcent à résoudre les problèmes d’occlusion et de rareté en exploitant des perspectives multiples. Notre approche exploite d’une part les mesures du véhicule ego par séquences : au cours de son déplacement dans le temps. D’autre part, nous proposons une perception collaborative basée sur la fusion des informations obtenues par de multiples agents connectés.

L’objectif de cette thèse est de développer des approches novatrices pour représenter efficacement les préférences de l’utilisateur, dans des contextes de décision multi-objectifs, en vue d’extraire des connaissances intéressantes. Dans un premier temps, nous introduisons un nouveau modèle de Programmation Par Contraintes (PPC) pour extraire des motifs Pareto optimaux (aussi appelés kypatterns), qui passe à l’échelle. Nous montrons ensuite comment les skypatterns peuvent être utilisés pour extraire des règles d’association de haute qualité et non redondantes sans avoir à fixer de seuil, contrairement aux approches de l’état de l’art. Puis, nous allons plus loin que la Pareto optimalité pour représenter les préférences de l’utilisateur en introduisant une nouvelle approche basée sur l’intégrale de Choquet, une fonction d’aggrégation complexe qui permet de prendre en compte les interactions (positives ou négatives) entre les mesures utilisées pour évaluer la qualité d’un motif. Enfin, nous présentons une nouvelle librairie PPC écrite en Java pour modéliser et résoudre plusieurs problèmes de fouille de motifs.

Les calculs embarqués sont omniprésents et ont besoin d’implémentations efficaces avec des contraintes fortes sur les ressources disponibles. De telles implémentations sont chronophages et requièrent une expertise combinée entre circuits électroniques et arithmétique des ordinateurs. Cette thèse étudie la conception automatique d’opérateurs de multiplication par plusieurs constantes (MCM), indispensables pour les calculs numériques sur Field- Programmable Gate Array. Derrière une interface simple à utiliser, l’outil proposé dans cette thèse se base sur la modélisation mathématique permettant une exploration automatique d’un grand espace de conception. Une des contributions majeures de cette thèse est l’estimation plus fine du coût matériel pour des opérateurs arithmétiques de base et une formulation sous forme d’un problème d’optimisation. Différentes techniques de recherche opérationnelle ont été explorées, incluant l’utilisation de plans coupants ou de contraintes de cassage de symétries. Ce travail propose différentes variantes de MCM : de l’utilisation de troncatures internes vérifiant une borne d’erreur de sortie du circuit, à l’intégration de couches de pipelines. Finalement, l’évaluation des méthodes proposée démontre des gains significatifs en consommation de ressources, notamment utilisé pour la conception de filtres numériques.

Les cobots mobiles sont appréciés dans l'industrie pour aider l’opérateur humain et améliorer la productivité. Nous avons contribué à leur conception en développant d’une part une nouvelle architecture matérielle pour plus de performance et d’autre part un système d'exploitation combinant Linux et Xenomai pour une exécution déterministe du firmware. Pour pallier aux défauts de ROS2, nous proposons l’intégration d’un d'ordonnancement temps réel conduit par la priorité, au sein de Xenomai, ce qui permet aussi de minimiser la latence. Notre approche respecte les normes de qualité ISO 25010. Au cœur de cette thèse se trouve aussi la problématique de l’autonomie énergétique du cobot que nous cherchons à solutionner grâce à la récupération de l’énergie environnementale. Pour ce faire, nous préconisons d’utiliser ED-H, un ordonnanceur de tâches optimal qui assure la neutralité énergétique chaque fois que possible tout en garantissant le respect des contraintes temporelles du cobot. Une contribution de cette thèse a donc été d’adapter l’ordonnanceur ED-H, initialement conçu pour des tâches indépendantes, à un ensemble de tâches dépendantes accédant à des ressources partagées en exclusion mutuelle. Une nouvelle condition d’ordonnançabilité a été proposée et la performance de ED-H a été évaluée en simulation avant son déploiement dans le noyau Xenomai. Cette preuve de concept nous a conduit à conclure que l’ordonnanceur non oisif EDF reste l’ordonnanceur de tâches temps réel à privilégier y compris sous contraintes énergétiques. Une autre contribution est de proposer l’ordonnanceur ED-H non pas au niveau des tâches logicielles mais des missions du cobot. Nous montrons comment ED-H, sensible à l’énergie, permet de planifier les missions pour gagner en autonomie énergétique. Enfin, nous avons créé une plateforme expérimentale, visant la conception d’un cobot de transport énergétiquement autonome par récupération d’énergie photovoltaïque et embarquant cette nouvelle architecture matérielle et logicielle.

L’objectif principal de cette thèseest de présenter une prothèse de main myoélectriqueaccessible qui combine des critèrestels que le prix abordable, la solidité, la fonctionnalitéet la performance. Cette nouvelleprothèse permet d’effectuer des prises latéraleset opposées. Tout d’abord, nous proposonsune méthode de placement des articulationsqui permet d’obtenir un résultatplus réaliste sur le plan anthropomorphique.De plus, nous avons développé et optimiséune solution de transmission interdigitale quipermet d’associer la flexion des doigts supérieursà celle du pouce. Une analyse détailléede la performance énergétique et thermiquede la prothèse est également présentée.Nous avons proposé une nouvelle stratégiede commande qui tire parti de l’irréversibilitéde la transmission de puissance et nousl’avons étudiée. Enfin, nous soulignons l’importanced’une transmission de puissance optimalesur le plan énergétique. Pour cela, nousdécrivons en détail la synthèse d’un nouveaumécanisme de réducteur à rapport variable,ainsi que la présentation d’un nouveau mécanismed’irréversibilité efficace. Enfin, nousavons évalué individuellement tous ces composantsde prothèse en mettant en place desprototypes expérimentaux qui démontrent leurutilité. L’intégration de ces composants dansune nouvelle prothèse est une perspective envisagéedans cette étude.

Dans cette thèse, je présente de nouvelles approches pour générer des solutions aléatoires ou diverses dans le cadre de la Programmation Par Contraintes (PPC). Utilisées comme outil d’aide à la décision, les solutions impactent les personnes : la planification d’employé·es, l’itinéraire des livreur·euses, les congés des soignant·es de garde. L’algorithme utilisé dans les solveurs de PPC est efficace, mais c’est un cadre rigide, qui renvoie des solutions basées sur des heuristiques de branchement qui peuvent être biaisées en faveur d’un espace de solution particulier. Les décideur·euses veulent aussi choisir entre plusieurs solutions, ces solutions doivent donc être diversifiées. Mon travail s’appuie sur des outils probabilistes. Le hasard est utilisé pour briser la rigidité du backtrack-search des solveurs de PPC et pour trouver des solutions dans un ordre différent à présenter à l’utilisateur·ice. Pour ce faire, j’ai conçu TABLESAMPLING, un échantillonneur travaillant dans le cadre de la PPC, qui bénéficie ainsi de toutes les améliorations des solveurs de PPC (temps d’exécution, ou nouvelles contraintes). Cependant, le caractère aléatoire n’est pas suffisant pour assurer la diversité. J’ai étudié et modifié des stratégies de recherche aléatoire pour générer des solutions diverses. La recherche peut ainsi être guidée vers des solutions dans des espaces intéressants

Ces dernières années, la quantité de données biomédicales collectées et stockées a considérablement augmenté. L’analyse de ces grandes quantités de données ne peut plus être effectuée par des individus ou des organisations uniques. Ainsi, la communauté scientifique crée des efforts de collaboration mondiaux pour étudier ces données. Cependant, les données biomédicales sont soumises à plusieurs restrictions légales et socio-économiques entravant les possibilités de collaboration en recherche. Dans cette thèse, nous étudions et montrons d’abord que les chercheurs ont besoin de nouveaux outils et techniques pour répondre aux restrictions et aux besoins des collaborations scientifiques mondiales sur les données biomédicales géo-distribuées. En particulier, nous identifions trois types de contraintes liées aux collaborations mondiales, à savoir les contraintes techniques,juridiques et socio-économiques. Nous étudions également l’état de l’art des outils actuels d’analyses biomédicales globales distribuées, y compris les outils utilisant des techniques d’apprentissage automatique, et montrons leurs limites. À partir de ces résultats, nous proposons des collaborations entièrement distribuées (FDC), qui sont des efforts de recherche qui exploitent des moyens pour exploiter et analyser de manière collaborative des informations biomédicales massives tout en respectant les restrictions légales et socio-économiques. Ici, nous étudions le concept, les propriétés et les fonctionnalités des FDC, ainsi que les exigences architecturales et les besoins en matière de sécurité et de confidentialité. Comme premier exemple de conception d’outils basés sur FDC, nous proposons une stratégie d’apprentissage automatique entièrement distribuée. La stratégie considère un algorithme de formation de forêt aléatoire où plusieurs sites géo-distribués, avec leurs propres données privées, calculent un modèle global en collaboration sans partager d’informations privées. L’algorithme proposé, appelé MuSiForest, s’améliore par rapport aux autres approches forestières multi-sites existantes en améliorant le temps de calcul et en réduisant la quantité de données partagées tout en ayant une précision d’apprentissage proche de celle des techniques forestières aléatoires centralisées. Enfin, nous étudions comment les systèmes de workflow ont été largement utilisés pour spécifier les analyses de données biomédicales, et nous montrons les limites actuelles de ces outils. Nous montrons comment ils offrent des moyens limités pour définir, déployer et exécuter des études multi-sites dans l’infrastructure distribuée d’aujourd’hui tout en respectant la propriété des données et les restrictions de confidentialité. Nous proposons ensuite FeDeRa, un langage pour spécifier, déployer et exécuter des workflows scientifiques multi-sites conformes à la FDC. Le langage est enrichi d’abstractions pour déployer l’analyse dans des infrastructures cloud géo-distribuées et d’abstractions pour définir des modèles de flux de travail complexes à travers les frontières multi-sites. FeDeRa prend en charge la programmation par flux de données et la concurrence déclarative de manière native. Nous présentons également l’implémentation d’un moteur d’exécution supportant l’exécution des workflows FeDeRa et des expérimentations déployées sur une infrastructure cloud.

Dans cette thèse, nous étudions desproblèmes de stabilisation et de régulation de sortiepour des systèmes de dimension infinie soumisà des perturbations. Tout d’abord, nous considéronsle problème de la stabilisation d’un systèmedynamique abstrait linéaire de dimensions infiniesavec un opérateur de contrôle non borné et soumisà une perturbation située au même endroit que lecontrôle. Pour résoudre ce problème, nous suivonsune stratégie de contrôle par mode glissant. Dansun second temps, nous considérons le problèmede la stabilisation d’un système hyperbolique (uneéquation de transport et un système d’équationsde transport) contrôlé au bord et soumis à uneperturbation située au même endroit que le contrôle.L’objectif ici est de proposer pour ce cas particulierun contrôle qui exige moins pour ce quiest de la sortie. Pour résoudre ce problème, nousproposons un "active disturbance rejection control".Enfin, nous nous intéressons à la constructiond’une fonctionnelle de Lyapunov permettant deprouver la stabilité entrée−état et de resoudre unproblème de regulation de sortie d’une équation deKorteweg-de Vries.

Les décisions prises pendant la conception préliminaire de systèmes complexes comme la voiture électrique jouent un rôle crucial sur ses performances finales. La conception préliminaire repose sur une modélisation mathématique gros grains du système pour étudier la faisabilité des alternatives réalisables. La formalisation et la résolution de ces modèles sont des étapes critiques pour la prise de décision. La première partie de cette thèse propose une démarche progressive pour construire un modèle mathématique dans un contexte de conception. L’objectif est d’obtenir un modèle en adéquation avec le besoin initial et dont le concepteur maîtrise la capacité à aider la prise de décision. Pour résoudre les modèles obtenus, nous proposons de les considérer sous l’angle des Problèmes de Satisfaction de Contraintes (CSP) et d’explorer intelligemment leur espace de recherche dans une approche d’exploration partielle diversifiée. Il s’agit d’obtenir un échantillon de solutions bien réparties dans l’espace de recherche pour représenter fidèlement l’ensemble des alternatives de conception avec un nombre raisonnable de solutions. Le cadre algorithme développé repose sur le calcul ensembliste et le parcours d’un arbre de recherche avec des opérateurs de division, réduction et sélection. Les stratégies d’exploration introduites montrent des performances intéressantes vis-à-vis de l’existant. Ce cadre est ensuite appliqué à des cas d’application en conception comme la batterie de véhicule électrique pour mettre en évidence ses intérêts et ses limites comme outil d’aide à la décision.

Cette thèse de doctorat porte sur la modélisation, la commande et l’analyse des performances de Robots Parallèles à Câbles(RPC) collaboratifs.Une modélisation élasto-géométrique des éléments d’actionnement des RPC est proposée en vue de l’amélioration de leurs performances de positionnement. Différents modèles élasto-géométriques inverses sont analysés en simulation et testé expérimentalement puis font l’objet d’une analyse de sensibilité.Ensuite, des stratégies de contrôle permettant aux RPC d’être utilisés par des opérateurs de manière physique sont proposées.Ces stratégies sont basées sur la commande en impédance et permettent la comanipulation du RPC. Un contrôleur hybride assurant la réalisation de trajectoires et la comanipulation est présenté et approuvé expérimentalement.Enfin, un appareil de sécurité pour la détection de proximité basé sur le principe du couplage capacitif est adapté aux RPC et testé.Finalement, des expériences utilisateurs ont été menés pour juger des performances des stratégies proposées. Trois expériences menées avec des participants volontaires permettent d’évaluer la variation de la performance et de comprendre le comportement physique de l’utilisateur au cours d’interactions physiques humain-RPC.

L’apprentissage par démonstration peut permettre de rendre la robotique plus accessible en ayant simplement à réaliser une tâche devant un robot pour que celui-ci la reproduise ; cependant, il peut être difficile d’apprendre des tâches complexes depuis des démonstrations brutes. Une manière de simplifier ce processus est de séparer les tâches en actions simples que le robot pourra apprendre indépendamment. Dans cette thèse, nous proposons donc d’extraire les actions élémentaires effectuées par des humains dans des vidéos ; pour cela, nous représentons les scènes sous la forme de graphes symboliques dans lesquels chaque noeud est un objet de la démonstration, et nous les classifions grâce à un GNN (Graph Neural Network). Nous explorons plusieurs stratégies de conception des graphes et montrons qu’il est possible d’améliorer la qualité de la reconnaissance d’actions en choisissant la bonne représentation. Puisque les démonstrations sont rarement annotées, nous proposons également des techniques d’apprentissage auto-supervisé appliquées aux graphes permettant de faire usage de données non labellisées pour augmenter encore les performances de notre modèle. Enfin, nous enregistrons 760 démonstrations et récoltons l’attention humaine sur une partie de ces vidéos afin de la comparer à l’attention de notre GNN.

L’apprentissage par renforcement et l’apprentissage par imitation permettent aux robots d’apprendre à effectuer des tâches de manière autonome, sans avoir besoin d’instructions explicites. Cette thèse examine les deux méthodes et les intègre dans un cadre modulaire et générique pour résoudre le problème d’apprentissage par imitation à partir d’observations. L’approche est mise en œuvre en deux étapes, en commençant par apprendre un modèle de représentation qui capture les caractéristiques spatiales et temporelles des démonstrations observées, suivi de l’application d’un algorithme RL prêt à l’emploi avec une fonction de récompense générique pour apprendre la politique d’imitation. Les résultats expérimentaux indiquent que la méthode proposée surpasse les méthodes de pointe et présente des capacités de généralisation prometteuses pour une gamme de tâches de manipulation, dépassant les méthodes génératives dans la plupart des cas.

La caméra basée sur lesévénements est un capteur bioinspiré qui diffèredes caméras à images conventionnelles : Aulieu de saisir des images à une fréquence fixe,elles surveillent de manière asynchrone leschangements de luminosité par pixel etproduisent un flux de données d'événementscontenant l'heure, le lieu et le signe deschangements de luminosité. Les camérasévénementielles offrent des propriétésintéressantes par rapport aux camérastraditionnelles : haute résolution temporelle,gamme dynamique élevée et faibleconsommation d'énergie. Par conséquent, lescaméras événementielles ont un énormepotentiel pour la vision par ordinateur dans desscénarios difficiles pour les camérastraditionnelles, tels que le mouvement rapide etla gamme dynamique élevée. Cette thèse aétudié la détection et le suivi d'objets avec lacaméra événementielle en se basant sur unmodèle et sur l'apprentissage profond. Lastratégie de fuison avec la caméra d'image estproposée puisque la caméra d'image estégalement nécessaire pour fournir desinformations sur l'apparence. Les algorithmesde perception proposés comprennent le fluxoptique, la détection d'objets et la segmentationdu mouvement. Des tests et des analyses ontété effectués pour prouver la faisabilité et lafiabilité des algorithmes de perceptionproposés.

La charge mentale est utilisée comme référence pour évaluer le coût mental d’une activité. Un des défis liés à l'expérience utilisateur est de pouvoir prédire en amont d’une tâche, la charge mentale de l’individu et de la surveiller en cours d’activité. Pour ce faire, la thèse avait pour objectif de répondre à des questionnements autant théoriques que pratiques. Sur le plan théorique, une première étape visait à répertorier et à organiser les divers modèles conceptuels de la charge mentale. Pour proposer, en second lieu, un modèle combinant ces différents cadres théoriques et une nouvelle définition de la charge mentale. Sur le plan pratique, en nous basant sur le modèle conceptuel proposé lors de la phase théorique, nous avons approfondi la compréhension du lien entre la charge mentale subjective et la performance, mais également le lien entre l’engagement (à travers le ressenti ludique), une variable interne à l’individu, et la charge mentale. De plus, nous avons accru les connaissances sur les facteurs intrinsèques (complexité de la tâche et multiplicité de fonctions cognitives sollicitées) et extrinsèques (design ludique) aux exigences de la tâche qui influencent la charge mentale. Enfin, nous avons identifié une nouvelle tâche cognitive pour laquelle nous avons pu établir un modèle de classification supervisée de la charge mentale subjective, proposant ainsi un début de réponse au besoin de prédiction de la charge mentale. Un modèle dont nous avons testé la validité inter-tâches (pour un même contexte de passation) et la validité inter-contextes (pour une même tâche donnée). Cette thèse propose donc un regard enrichi et novateur sur la charge mentale, alliant travail théorique et expérimental