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This thesis is about tracking several independent targets, using measurements collected by sensors or from a radar-image. The algorithms studied belong to the class of particle filters. In a first part, two algorithms proposed in the literature for multitarget tracking are compared. The ATRAPP algorithm proposed by Ubeda- Medina et al. makes it possible to generate shuffled multitarget particles (a multitarget vector where each target is possibly replicated from a different multitarget particle), under a posterior target independence assumption that is almost never met in practical situations. In a second part, an original algorithm is introduced, that uses an auxiliary Markov transition in its design and generalizes the auxiliary particle filter principle. In the context of multitarget tracking, this new algorithm makes it possible to generate shuffled multitarget particles, with no posterior target independence assumption. The optimal choice of the design parameters (auxiliary weights, auxiliary transition matrix or kernel) is discussed. Using an auxiliary transition kernel makes it possible to better shake the multitarget particles and to further decrease the variance. The optimal design reduces to the numerical solution of continuous optimization problems. In the special case where targets have a linear Gaussian dynamics, a special case of practical interest in applications, it is shown that these problems are strongly convex.; Le sujet de la thèse est la poursuite de plusieurs cibles, qui évoluent de manière indépendante, à partir de mesures recueillies par des capteurs ponctuels ou sous la forme d’une image-radar. Les algorithmes étudiés entrent dans la catégorie des filtres particulaires. Dans une première partie, on compare deux algorithmes proposés dans la littérature pour la poursuite multi-cibles. L’algorithme ATRAPP proposé par Ubeda-Medina et al. permet en particulier de générer des particules multi-cibles brassées (un vecteur multi-cibles dans lequel chaque cible est possiblement répliqué à partir d’une particule multi-cibles différente), au prix d’une hypothèse d’indépendance a posteriori des cibles, presque jamais vérifiée dans les situations pratiques. Dans une deuxième partie, on introduit un algorithme original, utilisant une transition markovienne auxiliaire et généralisant le principe du filtre particulaire auxiliaire. Dans le contexte de la poursuite multi-cibles, ce nouvel algorithme permet de générer des particules multi-cibles brassées, sans hypothèse d’indépendance a posteriori. Le choix optimal des paramètres de conception (poids auxiliaire, matrice ou densité de transition auxiliaire) est discuté. L’utilisation d’une densité de transition auxiliaire permet de diversifier plus largement les particules multi-cibles et de diminuer encore la variance. Le choix optimal se réduit à la résolution numérique de problèmes d’optimisation continus. Dans le cas particulier, important en pratique, où la dynamique des cibles est linéaire gaussienne, on montre que ces problèmes sont fortement convexes.

The research work proposed in this thesis falls within the context of embedded systems electrification with the development of a new hybrid power conversion chain, with new energy sources and powertrains. These systems offer many degrees of freedom regarding both the devices parameters and the tuning values of the associated control laws. The relevant (technico-economic) optimization of these complex power chains relies on the ability of the best-set algorithm to combine simultaneously the main parameters and the technological constraints of each component, the uncertain environmental conditions faced during areal use and finally the control algorithms as well as the global energy management. Their performances are based on the capacity of the design approaches to consider the real environment multiphysic constraints, the adequacy of the technologies, the topologies and the control laws, allowing to integrate and to associate effectively their constituents. In this context, this research work aims at developing tools and methods allowing the optimization of the power architectures and their components (hybrid energy conversion) by integrating in the design process the control-command and the energy management aspects. They consider a use case based on hybrid Fuel cell / Battery power system.For this purpose, a new nested methodology for complex system is been suggested. It enables to tackle large search spaces and considers different performance indexes (energy saving, reliability and volume). It simultaneously tunes and designs the energy management and component sizing by optimizing the main powertrain parameters while respecting the specifications. Technically, it uses two nested loops, combining the particle swarm optimization (PSO) technique’s performance and the rapid optimal control algorithm. This strategy addresses vast search spaces, achieves faster convergence to the global optimal integer design solution, and provides a good accuracy and robustness. In order to consider the randomness feature of real driving cycle (stochastic characteristic), a real time energy management strategy (EMS) was introduced based on an extension of the design approach, which increases its availability. By using machine-learning technique, an estimation of the current driving mode is developed and permits to guide the online energy management system., Les travaux proposés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’électrification des systèmes embarqués au travers du développement de nouvelles chaines hybrides de conversion d’énergie ; celle-ci se fondant sur de nouvelles motorisations et combinaison de sources d’énergies complémentaires. Ces systèmes présentent de nombreux degrés de liberté, tant vis-à-vis des paramètres de ses constituants, que des réglages des lois de contrôle qui leurs sont associées. L’optimisation (technico-économique) pertinente de ces chaines de conversion complexes repose donc sur l’aptitude des méthodes de recherche d’intégrer simultanément les paramètres macroscopiques des composants ainsi que leurs contraintes technologiques, les conditions aléatoires imposées par l’environnement sur un cycle de fonctionnement et enfin les algorithmes de contrôle de bas niveau comme la gestion énergétique globale. Les performances de ces systèmes reposent sur la capacité des méthodologies de conception à considérer les contraintes multi-physiques liées à leur environnement réel, l’adéquation des technologies, des topologies et des lois de commandes permettant d’intégrer et d’associer efficacement leurs constituants. Dans ce contexte, ces travaux de thèse visent à développer des outils et des méthodes permettant l’optimisation des architectures de puissance et de leurs constituants, en intégrant dès la première phase de conception les notions de contrôle-commande et de gestion énergétique. Ils se déploieront sur l'étude d’une chaîne de conversion hybride électrifiée fondée sur une l’association pile à combustible / batterie.Pour ce faire, une approche globale de conception est proposée, utilisant une stratégie bi-niveau qui considère le problème de la gestion d’énergie directement à l'intérieur du problème de dimensionnement et intègre d’une manière progressive au même niveau plusieurs critères de performance: consommation d’énergie, fiabilité et encombrement. L’approche en question adopte alors deux boucles d'optimisation imbriquées: la boucle externe, basée sur les performances de la PSO (Particle Swarm Optimization), s’occupe du dimensionnement, tandis que la boucle interne agit sur la gestion d’énergie, utilisant la rapidité de la commande optimale. Cela offre un champ d’exploration plus vaste qu’une approche conventionnelle et permet d’atteindre les meilleures performances d’optimisation des sources d’énergie embarquées (minimiser la consommation, respecter les contraintes de fonctionnement de chaque constituant ainsi que les durées de vie cibles, satisfaire les exigences de la charge) avec une convergence rapide ainsi que de bonnes robustesse et précision. Outre ce couplage fort entre dimensionnement et gestion d’énergie, il s’agit de prendre en compte le caractère incertain de l’utilisation en proposant une optimisation robuste du dimensionnement final. Cela nécessite une stratégie de gestion énergétique en temps réel. Ainsi, une extension de l’approche de conception est proposée pour le fonctionnement temps réel utilisant une interaction entre reconnaissance du mode de conduite et contrainte énergétique basée sur l’apprentissage, permettant ainsi de garantir une meilleure intégration de l’approche développée.

Tidal stream energy is acquiring more and more attention as a future potential renewable energy source. However, tidal stream turbines are still in development stages and their technology is not as mature as wind turbine technology. In addition to the infancy of the technology, tidal stream turbines have to withstand the harsh submarine environment where they are immersed. These constraints increase the criticality of tidal stream turbine subsystems and make them less reliable. Therefore, improving the reliability presents one of the challenges to make such energy competitive in terms of cost compared to other types, notably wind and solar energies. Indeed, the tidal stream turbine reliability and the produced energy cost are mainly affected by the drivetrain and generator configuration choices. In this Ph.D. thesis, suitable drivetrain and generator option choice is investigated for tidal stream turbine specifications. Three main generator and drivetrain configurations are considered which are, the direct- drive tidal stream turbine (gearless), the mechanically geared tidal stream turbine, and the magnetically geared one. The design process considers the electromagnetic modeling of the generator, the converter model, the turbine model, and the tidal current velocity data (near Ouessant island).The investigation-achieved results could be useful for tidal stream turbine designers and could give them a sight on the feasibility of each tidal stream turbine type., L’énergie marémotrice fait l'objet d'une attention croissante en tant que future source potentielle d'énergie renouvelable. Les hydroliennes sont cependant encore en phase de développement et leur technologie n'est pas aussi mature que celle des éoliennes. Outre le fait que cette technologie est encore émergente, les hydroliennes doivent faire face à l’environnement sous-marin hostile dans lequel elles sont immergées. Ces contraintes augmentent la criticité des sous-systèmes des hydroliennes et les rendent moins fiables. Par conséquent, l’amélioration de la fiabilité constitue l'un des défis à relever pour rendre l’énergie marémotrice compétitive en termes de coût par rapport à d'autres types d’énergie, notamment les énergies éolienne et solaire. En effet, la fiabilité des hydroliennes et le coût de l’énergie produite sont principalement affectés par les choix de configuration de la chaîne de conversion d’énergie (entraînement mécanique) et de la génératrice. Dans cette thèse, le type d’entrainement mécanique le plus adapté aux spécifications des hydroliennes est étudié. Trois configurations principales de génératrices et de transmission sont considérées ; à savoir l’hydrolienne à entraînement direct (sans multiplicateur), l'hydrolienne à multiplicateur mécanique et enfin l’hydrolienne à multiplicateur magnétique. Le processus de conception adopté prend en compte la modélisation électromagnétique de la génératrice, le modèle du convertisseur, le modèle de la turbine et les données de vitesse des courants de marées (près de l'île d'Ouessant). Les résultats obtenus à l’issue de ces travaux pourraient être utiles aux concepteurs d'hydroliennes et pourraient leur donner un aperçu sur la faisabilité de chaque type de configuration d’hydroliennes.

Photovoltaic water pumping systems (PVWPS) are an interesting solution to improve access to water in rural communities of developing countries. This thesis develops a methodology for the optimal design of PVWPS for domestic consumption based on an interdisciplinary approach. The objective is to determine the sizings of the PVWPS and its geographical positions in the village that maximize the positive impact of the system on socio-economic development and minimize its life-cycle cost. This methodology is applied to the case of a rural village in Burkina Faso, where we have been collecting technical and socio-economic data for 2 years. The first main originality of this work is the modelling of the link between the design of a PVWPS and its socio-economic impact, which allows to include the socio-economic impact to be included as an objective function of the optimisation. The second main originality is the inclusion of the geographical position of the PVWPS in the village as an optimisation variable, in addition to the sizing of the system. There is potential for applying the proposed methodology for the set-up of other types of systems such as community mills powered by photovoltaic energy in isolated areas and public charging points for electrical vehicles in cities.; Les systèmes photovoltaïques de pompage d'eau (PVWPS) sont une solution intéressante pour améliorer l’accès à l’eau dans les communautés rurales des pays en voie de développement. Cette thèse développe une méthodologie de conception optimale des PVWPS pour l’accès à l’eau domestique basée sur une approche interdisciplinaire. L’objectif est de déterminer les dimensionnements du PVWPS et ses positions géographiques dans le village qui maximisent l’impact positif du système sur le développement socio-économique et minimisent son coût sur cycle de vie. Cette méthodologie est appliquée au cas d’un village rural du Burkina Faso, où nous avons collecté des données techniques et sociaux-économiques depuis 2 ans. La première originalité principale de ce travail est la modélisation du lien entre la conception du PVWPS et son impact socio-économique, ce qui permet d’inclure l’impact socio-économique comme fonction objectif de l’optimisation. La seconde originalité principale est l’intégration de la position géographique du PVWPS dans le village comme variable d’optimisation, en plus du dimensionnement du système. Cette méthodologie pourrait également être appliquée à la mise en place d'autres types de systèmes, tels que les moulins communaux alimentés par énergie photovoltaïque dans les zones isolées ou les bornes de recharges publiques pour les véhicules électriques dans les villes.

Photovoltaic water pumping systems (PVWPS) are an interesting solution to improve access to water in rural communities of developing countries. This thesis develops a methodology for the optimal design of PVWPS for domestic consumption based on an interdisciplinary approach. The objective is to determine the sizings of the PVWPS and its geographical positions in the village that maximize the positive impact of the system on socio-economic development and minimize its life-cycle cost. This methodology is applied to the case of a rural village in Burkina Faso, where we have been collecting technical and socio-economic data for 2 years. The first main originality of this work is the modelling of the link between the design of a PVWPS and its socio-economic impact, which allows to include the socio-economic impact to be included as an objective function of the optimisation. The second main originality is the inclusion of the geographical position of the PVWPS in the village as an optimisation variable, in addition to the sizing of the system. There is potential for applying the proposed methodology for the set-up of other types of systems such as community mills powered by photovoltaic energy in isolated areas and public charging points for electrical vehicles in cities., Les systèmes photovoltaïques de pompage d'eau (PVWPS) sont une solution intéressante pour améliorer l’accès à l’eau dans les communautés rurales des pays en voie de développement. Cette thèse développe une méthodologie de conception optimale des PVWPS pour l’accès à l’eau domestique basée sur une approche interdisciplinaire. L’objectif est de déterminer les dimensionnements du PVWPS et ses positions géographiques dans le village qui maximisent l’impact positif du système sur le développement socio-économique et minimisent son coût sur cycle de vie. Cette méthodologie est appliquée au cas d’un village rural du Burkina Faso, où nous avons collecté des données techniques et sociaux-économiques depuis 2 ans. La première originalité principale de ce travail est la modélisation du lien entre la conception du PVWPS et son impact socio-économique, ce qui permet d’inclure l’impact socio-économique comme fonction objectif de l’optimisation. La seconde originalité principale est l’intégration de la position géographique du PVWPS dans le village comme variable d’optimisation, en plus du dimensionnement du système. Cette méthodologie pourrait également être appliquée à la mise en place d'autres types de systèmes, tels que les moulins communaux alimentés par énergie photovoltaïque dans les zones isolées ou les bornes de recharges publiques pour les véhicules électriques dans les villes.

Designing robots with bio-sourced materials (BSM) for eco-design purpose has almost never been explored in the past. This thesis investigates the potential of using bio-sourced materials, which have almost no environmental impact, instead of metals for robot design. Wood is one of the best candidates because of its interesting mechanical properties. However, wood performance / dimensions vary with the atmospheric conditions / external solicitations. Thus, this thesis is in the framework of the RobEcolo project whose challenging to design a stiff and accurate wooden industrial parallel robot. To ensure optimal performance of the wooden robot (specifically the accuracy) and in order to minimize the uncertainty of the BSM models and the errors due to the dimensional variations due to atmospheric conditions, exteroceptive sensors can be used to control the robot. In order to satisfy these requirements, we propose in this manuscript a modification of the Euler-Bernoulli beam theory which is used to develop accurate and fast wood elastic models able to predict the realistic robot static and dynamic behaviors. Finally, theoretical developments proposed in this thesis allowed the prototyping of an industrial wooden five-bar mechanism and the robot performance in term of safeness and accuracy has been validated experimentally on the prototype.; Concevoir des robots avec des Matériaux Bio-Sourcés (MBS) dans le but d'écoconception n'a presque jamais été exploré dans le passé. L’objectif de cette thèse est de montrer qu’il est possible de réduire considérablement l’impact environnemental des robots industriels en remplaçant la grande majorité des matériaux métalliques / composites de carbone utilisés dans leur conception par des matériaux bio-sourcés à faible impact écologique. Le bois est l'un des meilleurs candidats en raison de ses propriétés mécaniques intéressantes. Cependant, les performances / dimensions du bois varient en fonction des conditions atmosphériques / sollicitations externes. Ainsi, cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet RobEcolo dont le défi est de concevoir un robot industriel parallèle en bois rigide et précis. Afin d'assurer une performance optimale de robots en bois (en particulier la précision) et de minimiser l'incertitude des modèles MBS et les erreurs dues aux variations dimensionnelles en fonction des conditions atmosphériques, des capteurs extéroceptifs peuvent être utilisés pour commander le robot. Cependant, toute observation externe a un impact sur les performances du robot. Il est donc nécessaire d'optimiser la conception du robot par rapport aux critères de performance mécanique usuels mais aussi par rapport aux indices de performance issus de la définition de la commande par capteurs extéroceptifs. Ainsi, l'un des objectifs de ce manuscrit est de décrire une nouvelle approche de conception orientée commande. Cette approche permet de prendre en compte les performances du contrôleur dès la phase de conception du robot ce qui amènera à satisfaire la performance de précision lors de la commande de celui-ci, par la définition des paramètres géométriques primaires optimaux du robot. En effet, des modèles élastiques sont nécessaires aux étapes de conception et de contrôle et doivent être suffisamment précis pour fournir une estimation correcte des déformations et des fréquences propres du robot. De plus, ils doivent également être efficaces sur le plan de temps de calcul, car ils seront calculés des milliers de fois au cours du processus de la conception optimale, ou en temps réel dans la boucle de commande. Afin de répondre à ces exigences, nous proposons dans ce manuscrit une modification basée sur la théorie poutre d'Euler-Bernoulli qui est utilisée pour développer des modèles élastiques en bois simples et rapides capables de prédire un comportement réaliste des robots en bois en statique et en dynamique. Enfin, les développements théoriques proposés dans cette thèse ont permis le prototypage d'un mécanisme à cinq barres en bois et les performances du robot en termes de rigidité et de précision ont été validées expérimentalement sur le prototype.

Designing robots with bio-sourced materials (BSM) for eco-design purpose has almost never been explored in the past. This thesis investigates the potential of using bio-sourced materials, which have almost no environmental impact, instead of metals for robot design. Wood is one of the best candidates because of its interesting mechanical properties. However, wood performance / dimensions vary with the atmospheric conditions / external solicitations. Thus, this thesis is in the framework of the RobEcolo project whose challenging to design a stiff and accurate wooden industrial parallel robot. To ensure optimal performance of the wooden robot (specifically the accuracy) and in order to minimize the uncertainty of the BSM models and the errors due to the dimensional variations due to atmospheric conditions, exteroceptive sensors can be used to control the robot. In order to satisfy these requirements, we propose in this manuscript a modification of the Euler-Bernoulli beam theory which is used to develop accurate and fast wood elastic models able to predict the realistic robot static and dynamic behaviors. Finally, theoretical developments proposed in this thesis allowed the prototyping of an industrial wooden five-bar mechanism and the robot performance in term of safeness and accuracy has been validated experimentally on the prototype.; Concevoir des robots avec des Matériaux Bio-Sourcés (MBS) dans le but d'écoconception n'a presque jamais été exploré dans le passé. L’objectif de cette thèse est de montrer qu’il est possible de réduire considérablement l’impact environnemental des robots industriels en remplaçant la grande majorité des matériaux métalliques / composites de carbone utilisés dans leur conception par des matériaux bio-sourcés à faible impact écologique. Le bois est l'un des meilleurs candidats en raison de ses propriétés mécaniques intéressantes. Cependant, les performances / dimensions du bois varient en fonction des conditions atmosphériques / sollicitations externes. Ainsi, cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet RobEcolo dont le défi est de concevoir un robot industriel parallèle en bois rigide et précis. Afin d'assurer une performance optimale de robots en bois (en particulier la précision) et de minimiser l'incertitude des modèles MBS et les erreurs dues aux variations dimensionnelles en fonction des conditions atmosphériques, des capteurs extéroceptifs peuvent être utilisés pour commander le robot. Cependant, toute observation externe a un impact sur les performances du robot. Il est donc nécessaire d'optimiser la conception du robot par rapport aux critères de performance mécanique usuels mais aussi par rapport aux indices de performance issus de la définition de la commande par capteurs extéroceptifs. Ainsi, l'un des objectifs de ce manuscrit est de décrire une nouvelle approche de conception orientée commande. Cette approche permet de prendre en compte les performances du contrôleur dès la phase de conception du robot ce qui amènera à satisfaire la performance de précision lors de la commande de celui-ci, par la définition des paramètres géométriques primaires optimaux du robot. En effet, des modèles élastiques sont nécessaires aux étapes de conception et de contrôle et doivent être suffisamment précis pour fournir une estimation correcte des déformations et des fréquences propres du robot. De plus, ils doivent également être efficaces sur le plan de temps de calcul, car ils seront calculés des milliers de fois au cours du processus de la conception optimale, ou en temps réel dans la boucle de commande. Afin de répondre à ces exigences, nous proposons dans ce manuscrit une modification basée sur la théorie poutre d'Euler-Bernoulli qui est utilisée pour développer des modèles élastiques en bois simples et rapides capables de prédire un comportement réaliste des robots en bois en statique et en dynamique. Enfin, les développements théoriques proposés dans cette thèse ont permis le prototypage d'un mécanisme à cinq barres en bois et les performances du robot en termes de rigidité et de précision ont été validées expérimentalement sur le prototype.

To date, additive manufacturing is being developed with several processes that are capable of manufacturing plastic or metal parts. In addition, the FA has advantages that are limitations for traditional technology. For example, thanks to the freedom of the shape of the part, there is no need for specific tools. But the FA also has disadvantages, for example, the surface quality of the part, normally low, cost, manufacturing, especially because of investment for the manufacturing machine and also the raw material. There are many differences between AF and traditional technologies. We therefore consider it necessary to have a new design process for additive manufacture. A design method for additive manufacturing is being studied which allows us to manufacture a part or mechanism in an optimal way.Our thesis work is based on the two research questions:• Which model for the design process of a part by additive manufacturing?O How to draw the benefits of the FA advantage, for example, freedom of form?O How to integrate AF process characteristics into the design process?• What is the influence of intermediate representation in the design process for additive manufacturing?O Types of intermediate representations with FAO The choice of intermediate representation type to evaluate the product at a specific time in the design process for the FA.In the first phase, we have developed a process model that takes into account the characteristic of the processes, thus taking advantage of the additive manufacturing advantage.As a second step, we determined a method of choice that allows us to choose between the types of intermediate representations to evaluate the product in a design process for FA. This method is based on Case Based Reasoning.; A ce jour, la fabrication additive est développée avec plusieurs procédés qui sont capables de fabriquer les pièces en plastique ou en métallique. De plus, la FA a des avantages qui sont des limites pour la technologie traditionnelle. Par exemple, grâce à la liberté de la forme de la pièce, il n’y pas besoin des outillages spécifiques. Mais la FA a aussi des inconvénients, par exemple, la qualité de surface de la pièce, normalement faible, le cout, de la fabrication, notamment à cause de l’investissement pour la machine de fabrication et aussi la matière première. Il y a beaucoup de différences entre la FA et les technologies traditionnelles. Nous considérons donc qu’il est nécessaire d’avoir un nouveau processus de conception pour la fabrication additive On étudie une méthode de conception pour la fabrication additive qui nous permet de fabriquer une pièce ou un mécanisme de manière optimale.Notre travail de thèse est appuyé sur les deux questions de recherche :•Quel modèle pour le processus de conception d’une pièce par fabrication additive ?oComment tirer les profits de l’avantage de la FA, par exemple, la liberté de la forme ?oComment intégrer des caractéristiques du procédé de FA dans le processus de conception ?•Quelle est l’influence de la représentation intermédiaire dans le processus de conception pour la fabrication additive ?oLes types de représentations intermédiaires avec la FAoLe choix du type de représentation intermédiaire pour évaluer le produit dans un moment spécifique du processus de conception pour la FA.En première temps, nous avons développé une modèle de processus qui permet de prise en compte la caractéristique des procédés, ainsi de tirer les profits de l’avantage de fabrication additive.En deuxième temps, nous avons déterminé une méthode de choix qui nous permet de choisir entre les types de représentations intermédiaire pour évaluer le produit dans un processus de conception pour la FA. Cette méthode est basé sur Case Based Reasoning.

To date, additive manufacturing is being developed with several processes that are capable of manufacturing plastic or metal parts. In addition, the FA has advantages that are limitations for traditional technology. For example, thanks to the freedom of the shape of the part, there is no need for specific tools. But the FA also has disadvantages, for example, the surface quality of the part, normally low, cost, manufacturing, especially because of investment for the manufacturing machine and also the raw material. There are many differences between AF and traditional technologies. We therefore consider it necessary to have a new design process for additive manufacture. A design method for additive manufacturing is being studied which allows us to manufacture a part or mechanism in an optimal way.Our thesis work is based on the two research questions:• Which model for the design process of a part by additive manufacturing?O How to draw the benefits of the FA advantage, for example, freedom of form?O How to integrate AF process characteristics into the design process?• What is the influence of intermediate representation in the design process for additive manufacturing?O Types of intermediate representations with FAO The choice of intermediate representation type to evaluate the product at a specific time in the design process for the FA.In the first phase, we have developed a process model that takes into account the characteristic of the processes, thus taking advantage of the additive manufacturing advantage.As a second step, we determined a method of choice that allows us to choose between the types of intermediate representations to evaluate the product in a design process for FA. This method is based on Case Based Reasoning., A ce jour, la fabrication additive est développée avec plusieurs procédés qui sont capables de fabriquer les pièces en plastique ou en métallique. De plus, la FA a des avantages qui sont des limites pour la technologie traditionnelle. Par exemple, grâce à la liberté de la forme de la pièce, il n’y pas besoin des outillages spécifiques. Mais la FA a aussi des inconvénients, par exemple, la qualité de surface de la pièce, normalement faible, le cout, de la fabrication, notamment à cause de l’investissement pour la machine de fabrication et aussi la matière première. Il y a beaucoup de différences entre la FA et les technologies traditionnelles. Nous considérons donc qu’il est nécessaire d’avoir un nouveau processus de conception pour la fabrication additive On étudie une méthode de conception pour la fabrication additive qui nous permet de fabriquer une pièce ou un mécanisme de manière optimale.Notre travail de thèse est appuyé sur les deux questions de recherche :•Quel modèle pour le processus de conception d’une pièce par fabrication additive ?oComment tirer les profits de l’avantage de la FA, par exemple, la liberté de la forme ?oComment intégrer des caractéristiques du procédé de FA dans le processus de conception ?•Quelle est l’influence de la représentation intermédiaire dans le processus de conception pour la fabrication additive ?oLes types de représentations intermédiaires avec la FAoLe choix du type de représentation intermédiaire pour évaluer le produit dans un moment spécifique du processus de conception pour la FA.En première temps, nous avons développé une modèle de processus qui permet de prise en compte la caractéristique des procédés, ainsi de tirer les profits de l’avantage de fabrication additive.En deuxième temps, nous avons déterminé une méthode de choix qui nous permet de choisir entre les types de représentations intermédiaire pour évaluer le produit dans un processus de conception pour la FA. Cette méthode est basé sur Case Based Reasoning.

At the initial design stage, engineers often rely on low-fidelity models that have high uncertainty. In a deterministic safety-margin-based design approach, uncertainty is implicitly compensated for by using fixed conservative values in place of aleatory variables and ensuring the design satisfies a safety-margin with respect to design constraints. After an initial design is selected, high-fidelity modeling is performed to reduce epistemic uncertainty and ensure the design achieves the targeted levels of safety. High-fidelity modeling is used to calibrate low-fidelity models and prescribe redesign when tests are not passed. After calibration, reduced epistemic model uncertainty can be leveraged through redesign to restore safety or improve design performance; however, redesign may be associated with substantial costs or delays. In this work, the possible effects of a future test and redesign are considered while the initial design is optimized using only a low-fidelity model. The context of the work and a literature review make Chapters 1 and 2 of this manuscript. Chapter 3 analyzes the dilemma of whether to start with a more conservative initial design and possibly redesign for performance or to start with a less conservative initial design and risk redesigning to restore safety. Chapter 4 develops a generalized method for simulating a future test and possible redesign that accounts for spatial correlations in the epistemic model error. Chapter 5 discusses the application of the method to the design of a sounding rocket under mixed epistemic model uncertainty and aleatory parameter uncertainty. Chapter 6 concludes the work., Au stade de projet amont, les ingénieurs utilisent souvent des modèles de basse fidélité possédant de larges erreurs. Les approches déterministes prennent implicitement en compte les erreurs par un choix conservatif des paramètres aléatoires et par l'ajout de facteurs de sécurité dans les contraintes de conception. Une fois qu'une solution est proposée, elle est analysée par un modèle haute fidélité (test futur): une re-conception peut s'avérer nécessaire pour restaurer la fiabilité ou améliorer la performance, et le modèle basse fidélité est calibré pour prendre en compte les résultats de l'analyse haute-fidélité. Mais une re-conception possède un coût financier et temporel. Dans ce travail, les effets possibles des tests futurs et des re-conceptions sont intégrés à une procédure de conception avec un modèle basse fidélité. Après les Chapitres 1 et 2 qui donnent le contexte de ce travail et l'état de l'art, le Chapitre 3 analyse le dilemme d'une conception initiale conservatrice en terme de fiabilité ou ambitieuse en termes de performances (avec les re-conceptions associées pour améliorer la performance ou la fiabilité). Le Chapitre 4 propose une méthode de simulation des tests futurs et de re-conception avec des erreurs épistémiques corrélées spatialement. Le Chapitre 5 décrit une application à une fusée sonde avec des erreurs à la fois aléatoires et de modèles. Le Chapitre 6 conclut le travail.

National audience; Cet article présente une nouvelle méthode d'optimisation de la géométrie d'un instrument de type cuivre (la trompette), en se basant sur des simulations sonores par modèle physique. Le modèle physique consiste en un modèle acoustique du résonateur (l'impédance d'entrée), un modèle mécanique de l'excitateur (les lèvres du musicien virtuel) et un modèle couplant l'excitateur au résonateur. La technique de l'équilibrage harmonique est utilisée pour simuler des sons en régime permanent représentatifs de la forme du résonateur, en fonction de paramètres de contrôle du musicien virtuel. En se basant sur ces simulations, un problème d'optimisation de la géométrie de l'instrument (la perce) est alors formulé, la fonction objectif à minimiser étant la justesse globale (écart au tempérament égal) de différentes notes (régimes) jouées par l'instrument.Étant donné que la fonction objectif est coûteuse en temps de calcul et que le gradient n'est pas accessible, un algorithme d'optimisation par recherche directe (Mesh Adaptive Direct Search, MADS) assisté par des meta-modèles (surrogate) est employé. L'approche est illustrée par un exemple d'optimisation de la justesse globale d'une trompette mettant en jeu deux variables de conception, deux rayons situés dans la branche d'embouchure.Les résultats montrent que des améliorations significatives de la justesse sont obtenues en des temps de calcul raisonnables.L'utilisation de cette méthode dans un contexte de conception assistée par ordinateur est discutée, en considérant différentes fonctions objectif ou contraintes basées sur la justesse mais aussi sur le timbre de l'instrument.

The aim of this thesis is to bring a package of software tools included in a whole methodology dealing with mechatronic systems design. It comes as an add-on to the work already carried out at the laboratory in the field of the new generation of aircraft actuation systems: electromechanical actuators (EMA). This technology triggers new problematics leading the engineers to modify their development process as early as the specification phase, when mission profiles have to be generated/transformed/analyzed in order to simplify the design and ensure the validation step. Thus a Simulink toolbox has been created to meet the need for an information translator working as an intermediate between airframer and system-supplier. As for all the embedded systems, the designer has to face some performance-lifetime-integration trade-off, which can be considered as an optimization problem described by a set of equations and constraints. Particular attention is paid here to the conditioning of those explicit equations in order to obtain a standardized calculation sequence adapted to many optimization algorithms. The method and implemented software, both based on the graph theory, interact with the designer to inform him on the possible singularity and algebraic loop issues, providing some leads for their resolution. Finally, some preliminary sizing studies of landing gear and primary flight control surfaces (aileron and spoiler) actuation systems are presented to highlight the possibilities brought out by this innovative approach: integrated design with complex kinematics, collaborative multi-partners design, use of response surfaces to speed up the optimization; Cette thèse a pour objectif d’apporter un ensemble d’outils logiciels s’inscrivant dans une méthodologie globale de conception de systèmes mécatroniques. Elle arrive en complément de travaux déjà menés au sein du laboratoire sur le pré-dimensionnement d’actionneurs aéronautiques de nouvelle génération : les actionneurs électromécaniques (EMA). Cette technologie apporte de nouvelles problématiques qui forcent les ingénieurs à modifier leur processus de développement et ce dès la phase de spécification où des profils de mission devront être générés/transformés/analysés de manière à simplifier la conception et assurer leur validation. Une toolbox Simulink a donc été créée dans cette thèse pour répondre à ce besoin de transformation de l’information entre avionneur et systémier. Comme tout système embarqué, le concepteur fait face à des compromis entre performances, durée de vie et intégration, qui peuvent se résumer à un problème d’optimisation décrit par un ensemble d’équations et de contraintes. Un effort particulier de description a été mené sur le conditionnement de ces équations sous la forme d’un séquencement de calculs explicites adaptés aux algorithmes d’optimisation. La méthode et son implémentation logicielle, toutes deux basées sur la théorie des graphes, interagissent avec le concepteur de manière à l’informer des erreurs de singularité ou de bouclages algébriques apparaissant dans son problème et à lui fournir des pistes de résolution. Pour finir, des études de pré-dimensionnement d’actionneurs de train d’atterrissage et de surfaces de vol primaires (aileron et spoiler), réalisées dans le cadre de cette thèse, dresseront les possibilités offertes par cette approche innovante : conception intégrée avec une cinématique complexe, conception collaborative pluri-partenaires découplée, utilisation de surfaces de réponse pour accélérer l’optimisation

Force feedback haptic interfaces are robotic devices which are able to produce forces for the user in a teleoperation or virtual reality context. The integration of force feedback haptic interfaces in Computer-Aided Design (CAD) systems offers new perspectives for modeling and design of 3D objects by combining both visual and kinesthetic interaction. It allows viewing and manipulating virtual objects in real-time with a sense of touch (linked to contact, deformation, etc.).The works presented in this thesis contribute to the development of a force feedbackhaptic device to meet the needs of CAD at the best. In this thesis manuscript, the emphasis is put on the stability issue and its exploitation for the control of the device but also for the electromechanical conception. All the presented works concern an interface with one degree of freedom. First, several factors relative to the mechanic system (physical damping, vibration modes) and to the virtual environment (sampling period, delay-time, etc.) acting on the interface stability are highlighted through frequency domain stability criteria. Then, the interface design (choice and sizing of components) is expressed on the form of an optimization problem including a constraint linked to stability (in terms of application area).In a second part, the control architecture of haptic devices is studied. Using a newstability criterion for systems in discrete time with variable delay and an augmented state observer as an alternative to the standard finite difference scheme, the synthesis of novel control architecture is proposed.The last part of the manuscript deals with the description of the experimental testbench developed during the thesis period together with the results of some realized tests.; Les interfaces haptiques à retour d’effort sont des dispositifs robotiques capables deproduire des forces à destination de l’utilisateur en téléopération et en réalité virtuelle. L’utilisation d’interface à retour d’effort en Conception Assistée par Ordinateur (CAO) offre de nouvelles perspectives pour la création et la conception de formes 3D grâce à une interactivité à la fois visuelle et kinesthésique. Elles permettent à la fois de visualiser, de manipuler en temps réel des objets virtuels et d’en ressentir les efforts (liés aux contacts, à la déformation, etc.).Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement d’interfaces àretour d’effort pour répondre au mieux aux besoins de la CAO. Dans ce mémoire, l’accent est placé sur la problématique de la stabilité et son exploitation pour la commande de l’interface mais aussi pour la conception électromécanique. L’ensemble des travaux porte sur une interface à un degré de liberté.Dans un premier temps, différents facteurs liés au système mécanique (amortissement, modes vibratoires) et à l’environnement virtuel (échantillonnage, retard. . .) agissant sur la stabilité d’une interface sont mis en évidence à l’aide de critères fréquentiels. Ensuite, la conception d’une interface (choix et dimensionnement des composants) est ramenée sous forme d’un problème d’optimisation incluant une contrainte liée à la stabilité (en termes de domaine d’utilisation) et un critère de maximisation de la transparence (en termesd’inertie du dispositif).Dans un second temps, l’architecture de commande des dispositifs haptiques est étudiée. À l’aide d’une nouvelle condition de stabilité asymptotique pour les systèmes en temps discret à retard variable et en utilisant un observateur d’état augmenté comme alternative à l’utilisation standard de la méthode des différences finies arrières, la synthèse d’une nouvelle architecture de commande est proposée.La dernière partie du mémoire aborde la description du banc d’essai expérimental développé pendant le travail de thèse ainsi que les résultats des tests réalisés.

Force feedback haptic interfaces are robotic devices which are able to produce forces for the user in a teleoperation or virtual reality context. The integration of force feedback haptic interfaces in Computer-Aided Design (CAD) systems offers new perspectives for modeling and design of 3D objects by combining both visual and kinesthetic interaction. It allows viewing and manipulating virtual objects in real-time with a sense of touch (linked to contact, deformation, etc.).The works presented in this thesis contribute to the development of a force feedbackhaptic device to meet the needs of CAD at the best. In this thesis manuscript, the emphasis is put on the stability issue and its exploitation for the control of the device but also for the electromechanical conception. All the presented works concern an interface with one degree of freedom. First, several factors relative to the mechanic system (physical damping, vibration modes) and to the virtual environment (sampling period, delay-time, etc.) acting on the interface stability are highlighted through frequency domain stability criteria. Then, the interface design (choice and sizing of components) is expressed on the form of an optimization problem including a constraint linked to stability (in terms of application area).In a second part, the control architecture of haptic devices is studied. Using a newstability criterion for systems in discrete time with variable delay and an augmented state observer as an alternative to the standard finite difference scheme, the synthesis of novel control architecture is proposed.The last part of the manuscript deals with the description of the experimental testbench developed during the thesis period together with the results of some realized tests.; Les interfaces haptiques à retour d’effort sont des dispositifs robotiques capables deproduire des forces à destination de l’utilisateur en téléopération et en réalité virtuelle. L’utilisation d’interface à retour d’effort en Conception Assistée par Ordinateur (CAO) offre de nouvelles perspectives pour la création et la conception de formes 3D grâce à une interactivité à la fois visuelle et kinesthésique. Elles permettent à la fois de visualiser, de manipuler en temps réel des objets virtuels et d’en ressentir les efforts (liés aux contacts, à la déformation, etc.).Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement d’interfaces àretour d’effort pour répondre au mieux aux besoins de la CAO. Dans ce mémoire, l’accent est placé sur la problématique de la stabilité et son exploitation pour la commande de l’interface mais aussi pour la conception électromécanique. L’ensemble des travaux porte sur une interface à un degré de liberté.Dans un premier temps, différents facteurs liés au système mécanique (amortissement, modes vibratoires) et à l’environnement virtuel (échantillonnage, retard. . .) agissant sur la stabilité d’une interface sont mis en évidence à l’aide de critères fréquentiels. Ensuite, la conception d’une interface (choix et dimensionnement des composants) est ramenée sous forme d’un problème d’optimisation incluant une contrainte liée à la stabilité (en termes de domaine d’utilisation) et un critère de maximisation de la transparence (en termesd’inertie du dispositif).Dans un second temps, l’architecture de commande des dispositifs haptiques est étudiée. À l’aide d’une nouvelle condition de stabilité asymptotique pour les systèmes en temps discret à retard variable et en utilisant un observateur d’état augmenté comme alternative à l’utilisation standard de la méthode des différences finies arrières, la synthèse d’une nouvelle architecture de commande est proposée.La dernière partie du mémoire aborde la description du banc d’essai expérimental développé pendant le travail de thèse ainsi que les résultats des tests réalisés.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; The medical application of minimally invasive surgery, or MIS, is a different technique compared to open surgery, which consists in operating the patient through trocars (holes) to reduce postoperative pain and reduce the patient's recovery time. Another step in the non-invasive surgery is the laparoendoscopic single-site surgery or LESS technique: the surgeon passes his instruments through a single trocar instead of multiple ones. The complexity of the movements required in these technics highlights the interest of robotics to help the surgeon in his gesture. For LESS purposes, the in vivo robots have the advantage of being compact in nature, but their design is challenging because of compactness constraints and integration of actuators. In this paper, we present the dimensional synthesis of such an in vivo robot, the 'JB1' two-armed serial arms robot, to improve its compactness and its kinetostatic performances (forces and velocities of the end-effector), while taking into account workspace constraints for the desired volume. Pareto surface is plotted to provide the designer all the compromise solutions between maximal velocities, maximal forces and minimal compactness of the robot. The results show the importance of an appropriate choice of topology (number, type and sequencing of joints) to avoid singularity zones in the robot workspace and improve its kinetostatic performances. The results also show the interest to perform a simultaneous optimization between the dimensional synthesis and the dimensioning of its actuators, taking into account the constraints of integration.

Nowadays, power converters in railway domain are more and more compact and powerful. This progress is due to the use of fast efficient components, working at high frequency like IGBT. But this evolution generates many harmonics losses in different components as inductors or transformers, and complicates their design. In addition, for the design stage, acoustics comfort is an increasingly important factor. Hence, it is necessary to develop multi-physic models in order to integrate different phenomena as the PWM effects, the temperature, and the noise. These models are coupled to an optimization tool in order to define the design rules of passive components: inductors or transformers coupled with inductor for the railway applicationIt’s necessary to develop fast models with a good compromise between the accuracy of field calculations. In this thesis, only transformers and inductors with an air forced cooling are studied. A 3D thermal model based on a nodal network linked to electromagnetic model is used. In order to optimize this structure, NSGA-II algorithm is chosen. Some global optimizations, with respect to several objectives (weight and losses), including thermal constraint are finally presented. Experimental design method is applied to know how these response functions behave in the neighborhood of the optimal point; La tendance actuelle des équipements électriques ferroviaires est une concentration de matériels dans des volumes de plus en plus faibles et pour des puissances de plus en plus élevées. Ce progrès est permis par des composants à fort rendement (IGBT) qui ont la caractéristique de générer des pertes harmoniques importantes dans les composants magnétiques, provoquant du bruit à forte composante tonale. En conséquence, les cahiers des charges deviennent de plus en plus drastiques et augmente la difficulté de conception optimale des transformateurs. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’intégrer les différents phénomènes tels que la thermique, le bruit ou les effets de la PWM. Cette thèse porte plus précisément sur le dimensionnement optimal des transformateurs et inductances présent dans les convertisseurs auxiliaires ferroviaires. L’intérêt de la mise en place une boucle d’optimisation sur un modèle multi-physique est montrée. Pour cela il est important de développer des modèles comportent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision. Dans cette thèse seule les composants magnétiques refroidis par une ventilation forcée sont étudiés. Un modèle thermique 3D semi-analytique couplé avec un modèle électromagnétique est utilisé. Le choix de l’optimiseur s’est porté sur l’algorithme NSGA-II permettant d’effectuer des optimisations multi-objectifs (poids et pertes) en incluant des contraintes thermiques. Pour finir une étude de sensibilité est effectuée grâce à une méthode de plan d’expérience afin de juger de la robustesse des solutions optimales

This thesis deals with the optimal design of electric drivetrains. A drivetrain for metro is taken as an example. The input data for the design are the expected performance and the size of the required equipments.To assist the designer, the computing tool now gives the opportunity to build different sort of models. In addition, optimization algorithms allow finding optimal configurations. This work is an attempt to exploit these possibilities. The design models are used to value a large number of criteria. Through the example of these models, the design method followed is detailed in the document. From a technical point of view, the proposed drivetrain is detailed in the last chapter; Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre

Les Systèmes Instrumentés de Sécurité (SIS) sont conçus pour prévenir l'occurrence ou atténuer les conséquences des événements potentiellement dangereux. Dans de nombreux secteurs d'activité, l'échec de ces systèmes dans l'accomplissement de leurs fonctions peut entraîner des conséquences considérables. Ceci est vrai aussi bien pour les cibles potentielles (aspect sécurité) que pour la mission du système surveillé (aspect disponibilité de production). Concevoir donc un SIS assurant cette double performance, qui permet de satisfaire aux objectifs de sécurité et de disponibilité, constitue une tâche d'importance capitale. Dans cette optique, cette communication propose quelques réflexions en rapport avec l'optimisation des architectures des SIS. Pour ce faire, nous présentons tout d'abord une démarche permettant d'aboutir aux formulations analytiques des performances des SIS, en termes de leurs probabilités de défaillance dangereuse et sûre. Nous abordons ensuite le problème d'optimisation par une recherche préliminaire d'un compromis entre sécurité et disponibilité sur la seule base d'une analyse de la structure des architectures KooN. Enfin, nous proposons une démarche plus générale, basée sur les algorithmes génétiques, où le problème d'optimisation d'un SIS est ramené à une minimisation de sa probabilité de défaillance dangereuse sous contrainte de son taux de déclenchements intempestifs et de ses coûts d'achat et de maintenance. MOTS-CLES : Système Instrumenté de Sécurité, conception optimale, probabilité de défaillance dangereuse, probabilité de défaillance sûre, disponibilité de production, algorithmes génétiques.

This thesis focuses on studying the performance of the linear induction motor using the method of finite element analysis, and the optimal design on a time-costly model. The finite element method is used to study the performance of the linear induction motor. Firstly, the 2D finite element model (FEM) is constructed, which allows taking into account the longitudinal end effects. The transverse edge effects are taken into account within 2D model by varying the conductivity of the secondary and by adding the inductance of the winding overhang. Secondly, a coupled model between the magnetic and thermal 3D FEM is built which allows taking into account both the end effects and the temperature influence. Finally, a test bench is realized to validate the models. The comparison between the different models shows the importance of the coupled model. Optimal design using finite element modeling tools is a complex task and also time-costly. The surrogate model-assisted optimization strategies are studied. The direct surrogate model-assisted optimization and the Efficient Global Optimization are compared. A three-level output space-mapping technique is proposed to reduce the computation time. The optimization results show that the proposed algorithm allows saving a substantial computation time compared to the classical two level output space-mapping. Using the 3D FEM, a multi-objective optimization with a progressive improvement of a surrogate model is proposed. The proposed strategy evaluates the FEM in parallel. A 3D Pareto front composed of the finite element model evaluation results is obtained, which allows taking the decision for the engineering design.; Cette thèse porte sur l’étude des performances du moteur linéaire de référence par la méthode d’analyse éléments finis, et la conception optimale sur un modèle lourd en temps de calcul. La méthode éléments finis est utilisée pour étudier les performances du moteur linéaire de référence, car le modèle analytique d’un moteur linéaire est difficile à construire dû aux effets d’extrémités. Le modèle éléments finis (MEF) 2D permet de prendre en compte l’effet d’extrémité de longueur finie. L’effet d’extrémité de largeur finie est intégré au modèle 2D en faisant varier la conductivité du secondaire et en ajoutant une inductance de tête de bobines. Ensuite, le couplage entre le MEF 3D magnétique et thermique permet de prendre en compte tous les effets d’extrémité et de l’influence de la température. Un banc d’essais est construit pour valider les modélisations éléments finis. La comparaison entre les différents modèles montre l’importance du modèle couplé. L’optimisation directe sur un MEF est très couteuse en temps de calcul. Les stratégies d’intégrer un modèle de substitution au lieu d’un MEF sont étudiées. L’optimisation directe sur un modèle de substitution et l’algorithme Efficient Global Optimisation (EGO) sont comparés. Un algorithme Space Mapping (SM) 3 niveaux est proposé. Les résultats des cas tests montrent que le SM 3 niveaux est plus efficace par rapport à l’algorithme SM 2 niveaux. Une nouvelle stratégie d’optimisation avec un faible budget d’évaluation du MEF est proposée et testée dans le contexte d’une modélisation difficile. La stratégie proposée permet d’évaluer les MEF en parallèle, ainsi permet un gain considérable de réduction du temps d’optimisation.

This thesis focuses on studying the performance of the linear induction motor using the method of finite element analysis, and the optimal design on a time-costly model. The finite element method is used to study the performance of the linear induction motor. Firstly, the 2D finite element model (FEM) is constructed, which allows taking into account the longitudinal end effects. The transverse edge effects are taken into account within 2D model by varying the conductivity of the secondary and by adding the inductance of the winding overhang. Secondly, a coupled model between the magnetic and thermal 3D FEM is built which allows taking into account both the end effects and the temperature influence. Finally, a test bench is realized to validate the models. The comparison between the different models shows the importance of the coupled model. Optimal design using finite element modeling tools is a complex task and also time-costly. The surrogate model-assisted optimization strategies are studied. The direct surrogate model-assisted optimization and the Efficient Global Optimization are compared. A three-level output space-mapping technique is proposed to reduce the computation time. The optimization results show that the proposed algorithm allows saving a substantial computation time compared to the classical two level output space-mapping. Using the 3D FEM, a multi-objective optimization with a progressive improvement of a surrogate model is proposed. The proposed strategy evaluates the FEM in parallel. A 3D Pareto front composed of the finite element model evaluation results is obtained, which allows taking the decision for the engineering design.; Cette thèse porte sur l’étude des performances du moteur linéaire de référence par la méthode d’analyse éléments finis, et la conception optimale sur un modèle lourd en temps de calcul. La méthode éléments finis est utilisée pour étudier les performances du moteur linéaire de référence, car le modèle analytique d’un moteur linéaire est difficile à construire dû aux effets d’extrémités. Le modèle éléments finis (MEF) 2D permet de prendre en compte l’effet d’extrémité de longueur finie. L’effet d’extrémité de largeur finie est intégré au modèle 2D en faisant varier la conductivité du secondaire et en ajoutant une inductance de tête de bobines. Ensuite, le couplage entre le MEF 3D magnétique et thermique permet de prendre en compte tous les effets d’extrémité et de l’influence de la température. Un banc d’essais est construit pour valider les modélisations éléments finis. La comparaison entre les différents modèles montre l’importance du modèle couplé. L’optimisation directe sur un MEF est très couteuse en temps de calcul. Les stratégies d’intégrer un modèle de substitution au lieu d’un MEF sont étudiées. L’optimisation directe sur un modèle de substitution et l’algorithme Efficient Global Optimisation (EGO) sont comparés. Un algorithme Space Mapping (SM) 3 niveaux est proposé. Les résultats des cas tests montrent que le SM 3 niveaux est plus efficace par rapport à l’algorithme SM 2 niveaux. Une nouvelle stratégie d’optimisation avec un faible budget d’évaluation du MEF est proposée et testée dans le contexte d’une modélisation difficile. La stratégie proposée permet d’évaluer les MEF en parallèle, ainsi permet un gain considérable de réduction du temps d’optimisation.

Dans cet article, nous comparons les performances géométriques et cinématiques d'un robot sériel et d'un robot parallèle utilisés comme portes-sonde pour une application de télé-échographie. Le premier est un poignet sphérique sériel à trois articulations rotoïdes concourantes, le second présente une structure à parallélogrammes déformables. Nous comparons leurs performances cinématiques et leur encombrement sur un espace de travail ciblé.

In this paper, we focus on the modeling, simulation and shape optimization of a dispersive bio-reactor in which a substrate is degraded by a microbial ecosystem in an non homogeneous environment. Two different modeling approaches are used in order to obtain a low computational model to quickly evaluate the behavior of our bio-reactor. The first one is based on coupled spatial and time dependent EDPs. The second one, obtained by optimization, is based on two interconnected systems of ODEs with coefficient calibrated using the first PDE model. Preliminary results assuming a Monod kinetics are presented.; Dans cet article, nous étudions la conception optimale d’un réacteur biologique dans lequel un substrat est dégradé par un écosystème microbien dans un environnement non homogène. Dans le but d’obtenir un modèle entrée-sortie simple sous la forme d’un système d’EDOs mais prenant en compte le caractère non homogène du réacteur, un premier modèle de dimension infini est approximé par une interconnection de chemostats. Les résultats préliminaires en considérant une cinétique de Monod sont présentés.

The design of electrical machinery has a long tradition and the business as usual approach is a tries and errors iterative process, certainly converging but necessarily stopped prematurely as too expensive. A recent upgrade has been to replace the prototypes and models by virtual prototypes, fully numerical, such as those provided by the finite element method. Nevertheless, the process stops always on a frustration, because the designer is never sure to have completely explored the design space that offers to him. The optimal design approach proposes to improve this process by guiding it, i.e. by proposing a methodology and by equiping it, i.e. by providing software tools. But in this approach many difficulties appear. Thus, the general objectives of this thesis are multiple. It is to define specific representative optimization problems of the structural choices and develop reference benchmarks of optimization: discrete, multi-physics, multidisciplinary, multi-objective and multi-level. Then, it must seek, adapt and describe the best optimization methods able to solve these problems. These methods are implemented and tested in order to prove their efficiency and adaptation. A secondary but important objective is to capitalize and disseminate the developed knowledge; La conception des machines électriques a une longue tradition et l’approche « business as usual » est un processus itératif d’essais et d’erreur, certes convergent mais nécessairement stoppé prématurément, car trop couteux. Un perfectionnement récent a consisté à remplacer les prototypes et les maquettes par des prototypes virtuels, entièrement numériques, comme ceux fournis par la méthode des éléments finis. Néanmoins, le procédé s’arrête toujours sur une frustration car le concepteur n’est jamais sûr d’avoir exploré complètement l’espace de conception qui s’offre à lui. La démarche de conception optimale se propose d’améliorer ce processus en le guidant, c'est-à-dire en proposant une méthodologie, et en l’automatisant, c'est-à-dire en proposant des outils logiciels. Mais dans cette démarche apparaissent de nombreuses difficultés. Ainsi, les objectifs généraux de cette thèse sont multiples. Il s’agit de définir des problèmes d'optimisation spécifiques représentatifs des choix structurels et d’élaborer des benchmarks de référence : discret, multiphysique, multidisciplinaire, multi-objectif et multi-niveaux. Ensuite, il faut rechercher, adapter et qualifier les méthodes d'optimisation les mieux à même de résoudre ces problèmes. Enfin, les différentes méthodes d'optimisation proposées sont implantées et testées de façon à prouver leur efficacité et leur adaptation. Un objectif secondaire mais important est de les capitaliser et diffuser les connaissances élaborées

The design of traction systems is a complex task, which needs experts from various fields. Train manufacturers can manage this complexity and produce high performance rolling stock materials. However, any improvement in design methodology can lead to a competitive advantage in a global market.This thesis focuses on the optimal design methodology of complex systems such as a railway traction system. The design process and tools are demonstrated via two applications: the design of a traction motor and the concurrent design of several key components.The load cycle and transient thermal behaviour are essential in the design of a traction motor. The adaptation of a motor to its load cycle reduces significantly its mass. The multidisciplinary design optimization approach is used to manage interactions between various discipline models in the optimization process. The optimization time can be reduced through a task distribution and a parallel computing. The multi-objective design optimizations are also applied. Pareto fronts are obtained despite the difficulty in using the high fidelity but expensive in computation time such as Finite Element Analysis model.The hierarchical decomposition approach: the Target Cascading method is applied to the traction system design problem. The system and components are designed simultaneously. This method is suitable for implementing the complex system optimal design process while respecting the product development structure of the company.; La conception d'un système électrique de transport ferroviaire est une tâche complexe qui fait appel simultanément à des experts de domaines de compétence différents. Les constructeurs ferroviaires gèrent cette complexité ce qui leurs permet de fabriquer des équipements performants. Néanmoins, dans un marché global, tout gain méthodologique peut se traduire en avantage concurrentiel.La conception systémique optimale de composant électrotechnique est abordée dans cette thèse. Une chaîne de traction électrique est choisie comme exemple représentatif d'un système complexe. La démarche et les outils sont mis en œuvre sur deux applications: la conception d'un moteur de traction et la conception simultanée de plusieurs composants clés.Pour concevoir un moteur de traction, le cycle de fonctionnement et le comportement thermique transitoire sont primordiaux. La bonne adaptation du moteur à sa mission permet de réduire considérablement sa masse. L'approche multidisciplinaire est utilisée pour gérer les interactions entre modèles de disciplines différentes au sein d'un même processus d'optimisation. Suivant la méthode employée, le temps d'optimisation peut être réduit grâce à la répartition des taches par domaine physique et d'en paralléliser l'exécution. Des optimisations multiobjectif ont également été appliquées. Des fronts de Pareto sont obtenus malgré l'utilisation d'un modèle précis mais coûteux, le modèle éléments finis.L'approche décomposition hiérarchique de la méthode "Target Cascading" est appliquée au problème de conception de la chaîne de traction. Le système et ses composants sont conjointement conçus. Cette méthode est bien adaptée à la démarche de conception optimale des systèmes complexes, tout en respectant l'organisation par produit de l'entreprise.

Cet article propose une méthodologie de conception optimale des Systèmes Instrumentés de Sécurité (SIS) afin de satisfaire au niveau d'Intégrité de Sécurité (SIL) exigé par les normes de sécurité IEC 61508 et IEC 61511. L'étude proposée s'inscrit dans le contexte de l'allocation conjointe de la disponibilité et de la redondance des SIS. Elle est basée sur la modélisation des SIS par des systèmes séries parallèles sous forme de blocs diagrammes de fiabilité. La méthode d'optimisation choisie est les algorithmes génétiques. En guise d'illustration, la méthodologie est appliquée à la conception d'un SIS, utilisé dans le document ISA-TR84.00.02-2002 relatif à la norme IEC 61508, qui doit implémenter une Fonction Instrumentée de Sécurité de SIL 1 avec un coût minimal et un choix réduit de composants. L'architecture obtenue qui est donnée sous forme d'un bloc diagramme de fiabilité respecte le niveau de SIL exigé et le coût de conception maximal.

The use of safety related systems imposes to evaluate their dependability. Laboratory data and generic data are often used to provide failure data of safety components to evaluate their dependability parameters. However, due to the lower solicitation of safety systems in plant, safety components have not been operating long enough to provide statistical valid failure data. Furthermore, measuring and collecting failure data have uncertainty associated with them, and borrowing data from laboratory and generic data sources involve uncertainty as well. Our contribution is to propose a fuzzy approach to evaluate dependability parameters of safety systems when there is an uncertainty about dependability parameters of systems components. This approach is applied to determine the failure probability on demand of Safety Instrumented Systems (SIS) in presence of uncertainty. Furthermore, we present an optimal design of SIS by using reliability graphs and genetic algorithms to identify the choice of components and design configuration in a SIS to meet the required SIL.; L'introduction de systèmes instrumentés dédiés aux applications de sécurité impose l'évaluation de leur sûreté de fonctionnement. On utilise généralement pour cela les bases de données de fiabilité génériques. Cependant, le retour d'expérience pour ces systèmes qui présentent en général des défaillances rares est insuffisant pour valider les résultats obtenus. En outre, la collecte de données de fiabilité et leur extrapolation à d'autres composants introduisent des incertitudes.Les travaux de cette thèse portent sur la problématique de la prise en compte des incertitudes relatives aux données de fiabilité des composants pour l'évaluation de la sûreté de fonctionnement des systèmes par le formalisme des sous ensembles flous. La méthodologie proposée est appliquée à l'évaluation des probabilités de défaillance des Systèmes Instrumentés de Sécurité (SIS) en présence de données de fiabilité imprécises. Nous introduisons deux nouveaux facteurs d'importance pour aider le concepteur. En outre, nous proposons une méthodologie d'aide à la conception des SIS basée sur la modélisation par réseaux de fiabilité et l'optimisation par des algorithmes génétiques de la structure des SIS pour le respect des niveaux d'intégrité de sécurité (SIL) exigés.

The MBDA Aerolog software is commonly used for computing steady compressible flows over complex geometries. The residual-distribution scheme of Lax-Wendroff-Ni is coupled with an implicit residual smoothing technique to provide a low cost per iteration and a flexible use in multi-block computational domains. In order to improve the code efficiency for the simulation of unsteady flows a so-called characteristic timestep upwind scheme is proposed in this work: its compact stencil allows to preserve the existing boundary and interface treatments. This scheme is coupled with a new matrix-free implicit stage and applied in the framework of a dual time-step technique. The results provided by this new approach are analyzed from the viewpoint of accuracy and efficiency for steady and unsteady flows over airfoils and rudders and compared with those produced by the existing method. The optimal design of a wing is studied next in the context of static aeroelasticity: since the wings of a cruise missile are hollowed out, one seeks to take advantage of the associated aeroelastic effects to maximise the range of the missile. A fully automated aeroelastic computational chain is developed to perform a numerical study of these effects and a first parametric study is carried out to assess the relevance of the chosen parameters and the accuracy of the methods employed., Le logiciel Aerolog de MBDA est usuellement mis en oeuvre pour la simulation d'écoulements compressibles stationnaires autour de géométries complexes. Le schéma de Lax-Wendroff-Ni, à distribution de résidu, est associé à une technique de lissage implicite des résidus pour assurer un faible coût par itération et une mise en oeuvre flexible pour des géométries complexes avec des maillages multidomaines. Afin d'améliorer l'efficacité du code pour la simulation d'écoulements instationnaires, on propose dans ce travail un schéma décentré original, dit à pas de temps caractéristique, dont le support compact permet de préserver les traitements aux frontières et aux raccords existants. Ce schéma est associé à une nouvelle phase implicite, dite sans matrice, et mis en oeuvre dans le cadre d'une technique de pas de temps fictif. Les résultats fournis par cette nouvelle approche sont analysés du point de vue de l'efficacité et de la précision pour des écoulements stationnaires et instationnaires autour de profils et de gouvernes et comparés à ceux produits par l'approche existante. Un problème de conception optimale d'une aile est ensuite étudié dans le cadre de l'aéroélasticité statique : les effets aéroélastiques associés à l'évidement des ailes d'un missile de croisière sont exploités dans le but de maximiser la portée de l'engin. Une chaîne de calcul aéroélastique entièrement automatisée est mise en place pour permettre une étude numérique de ces effets et une première étude paramétrique est menée afin d'évaluer la pertinence des paramètres retenus et la précision des méthodes utilisées.

This researcher focuses on the optimal design of high mobility robotized systems for minimally invasive surgery. It uses an optimization process based on multi-objective evolutionnary algorithms, coupled to a realistic simulation taking into account all the parameters required for a correct evaluation of the robotic system. This methodology has been applied to the suturing operation of a coronary artery bypass grafting. It leads to the design of a surgical robotized instrument, of 10mm diameter and 9 degrees of freedom : DRIMIS. A prototype has been developped and evaluated., Cette thèse concerne la conception optimale de systèmes robotisés à haute mobilité pour la chirurgie mini-invasive. Elle este basée sur un processus d'optimisation par algorithmes évolutionnaires mult-objectifs, couplés à une simulation réaliste de la tache chirurgicale qui prend en compte tous les paramètres nécessaires à l'évaluation fidèle des robots. Cette méthodologie de conception a été appliquée au geste de suture lors d'une procédure de pontage coronarien. Elle aboutit à l'obtention d'un instrument chirurgical robotisé adapté, doté de 9 degrés de liberté: DRIMIS. Un prototype en a été réalisé et ses performances cinématiques évaluées.

Not available, L’objectif de ce mémoire concerne, d'une part, l'analyse structurelle et quantitative d'un processus et, d'autre part, la conception optimale d'une architecture d'instrumentation permettant de définir la position, le nombre et la précision des capteurs. Cette conception doit satisfaire à de nombreuses contraintes dont les principales sont la disponibilité de la valeur des variables nécessaires, la détectabilité et l'isolabilité des capteurs défaillants, la précision de l'estimation, le coût, la fiabilité et la disponibilité du systeme d'instrumentation. Pour ce qui est l'analyse structurelle et quantitative, nous avons développé des méthodes permettant de caractériser le processus selon le critère d'observabilité, le degré de redondance des variables, la détectabilité et l'isolabilité des capteurs défaillants, la précision de l'estimation de l'état du processus, la fiabilité et la disponibilité de son systeme d'instrumentation. Quant à la conception optimale d'un systeme d'instrumentation, elle a été résolue en trois étapes: i) définir la position et le nombre de capteurs sous contraintes d'observabilité, de degré de redondance, de détectabilité et d'isolabilité des capteurs défaillants, de non-mesurabilité et d'obligation de mesurer des variables. En utilisant les cycles et la formulation en termes de programmation linéaire en nombres entiers, une solution optimale est proposée soit en minimisant le coût à fiabilité imposée, soit en maximisant la fiabilité à coût imposé, ii) déterminer la précision des capteurs de façon à garantir une précision imposée de l'estimation, en se basant sur un algorithme à itération directe, iii) déterminer le taux de réparation des capteurs pour obtenir une disponibilité donnée pour le systeme d'instrumentation. Ces méthodes ont été testées sur une partie d'une plate-forme pétrolière de la société ELF