Les travaux actuels dans le domaine de la navigation autonome s’intéressent principalement à l’étude d’algorithmes de localisation sur la base d’hybridation multi-capteurs ou d’approche de type localisation et cartographie simultanées (SLAM). Aujourd’hui des méthodes bien connues et assez fiables existent comme par exemple ORB-SLAM, SVO, PTAM. L’ensemble de ces méthodes peut être considéré comme des approches « bas niveau » dans le sens où l’interprétation de la scène reste très limitée. En effet, celle-ci est représentée par des nuages de points 3D ou au mieux des amers géométriques.Il est à noter qu’avec le machine learning et plus récemment l’engouement pour le Deep-Learning, des techniques d’analyse d’image émergent avec l’extraction d’objets statiques ou mobiles (détection de piétons, de panneaux, de marquages au sol. Ces approches restent cependant encore décorrélées de l’étape de navigation à proprement parlé. L’ambition de ce projet est d’intégrer les couches d’analyse de scène dans le cadre de la navigation autonome, à savoir intégrer les informations sémantiques dans l’étape de calcul de position. Nous souhaitons donc mettre en place une cartographie d'objets, dite sémantique, qu'ils soient routiers (panneau, feux, marquages au sol particuliers...), urbains (enseignes de magasin...) et éventuellement d’événements (accidents, travaux, déviations...). Ce type de cartographie permettra la navigation par amers visuels de haut niveau bien plus robustes dans le temps mais également plus facilement détectable en cas de variation de luminosité (jour nuit). Ce projet se situe ainsi à l’intersection de diverses thématiques : - L’apprentissage automatique, l’analyse d’image et la détection d’objets - La localisation par vision (odométrie visuelle, hybridation) - La cartographie sémantique géolocalisée (SLAM+GNSS).

Afin d’atteindre les objectifs ambitieux fixés par l’ACARE pour 2050, les industriels de l’aéronautique songent à des technologies en rupture de celles actuelles. La modification du cycle thermodynamique de la turbine à gaz est une des solutions envisagées. En vue d’augmenter sensiblement le rendement thermique théorique d’une turbine à gaz, la traditionnelle combustion isobare (cycle de Joule-Brayton) peut être remplacée par une combustion effectuée de façon isochore (cycle de Humphrey). La difficulté majeure de cette technologie est de passer d’éléments alimentés par un flux continu à un flux pulsé. Dans une telle configuration,la turbine est sujette à une forte instationnarité de ces conditions d’entrée. Ainsi, le bénéfice théorique des systèmes isochores ne peut être envisagé que si les performances de la turbine,sous ces conditions d’alimentation si particulières, sont maîtrisées. Les écoulements pulsés dans les turbines sont étudiés depuis de nombreuses années dans le domaine automobile sur des géométries radiales. Cependant, l’influence de ces écoulements sur les performances d’une turbine reste toujours très difficile à appréhender en raison de la complexité de la physique de l’écoulement et des géométries. Un approfondissement de la connaissance de ces phénomènes physiques impose de revenir à des situations académiques sur lesquelles la compréhension de l’écoulement est plus aisée. C’est dans cette problématique que s’inscrivent les travaux de thèse qui visent à clarifier, grâce à la simulation numérique, le comportement d’une turbine soumise à de fortes variations de ces conditions d’entrée.L’approche proposée dans ce manuscrit s’articule alors autour de trois parties. La première partie débute par la caractérisation des phénomènes physiques, en absence de viscosité, lors de régimes transitoires violents au sein de géométrie de complexité croissante qui tendent à s’approcher d’une cascade d’aube linéaire. Cette inspection est suivie par l’investigation du comportement transitoire d’une grille d’aube simplifiée grâce à des simulations fluide parfait.L’analyse instationnaire des efforts aérodynamiques ainsi que celle du flux d’énergie permet d’entrevoir les bénéfices des échanges de puissance instationnaires dans un rotor. La seconde partie cherche à préciser l’influence des effets de viscosité et des couches limites lors d’un régime transitoire. Des simulations aux grandes échelles de propagations d’ondes dans un canal plan sont réalisées afin de détailler l’interaction d’un front d’onde instationnaire et d’une couche limite. Deux configurations sont examinées, l’accélération d’une couche limite transitionnelle par la propagation d’une onde de choc et la décélération de cette couche limite par le biais d’une onde de détente. Enfin, des simulations aux grandes échelles de régimes transitoires dans une grille d’aube sont présentées et comparées avec des simulations fluide parfait équivalentes.L’effet des décollements et recollements intermittents de la couche limite sur la prédiction de l’effort aérodynamique est ainsi spécifié. Finalement, des recommandations préliminaires de conception d’une turbine alimentée par un écoulement pulsé sont données dans la dernière partie du manuscrit grâce à l’exécution de plans d’expériences.

La stratégie d'exploration spatiale de l'agence exige une approche efficace et abordable concernant l’opération et le contrôle des systèmes spatiaux. Dans le programme d'exploration une approche optimale, intégrant à la foi acteurs humains en orbite et au sol, doit être trouvée. Dans l'activité proposée nous passons à l’étape suivante: une analyse systématique des données expérimentales existantes et l'exécution de nouvelles expériences pour déterminer l'approche la plus efficace et abordable de technologies et opérations homme-robot intégrés. Dans un premier temps, des données expérimentales existantes de METERON (ESA), mais aussi de grandes bases de données issues d'autres opérations non spatiales, seront analysées et fourniront une métrique claire de la performance des opérations par rapport aux paramètres quantitatifs des propriétés de lien de communication, les capacités des actifs robotiques, le niveau d'automatisation et l'environnement de l'opérateur. La deuxième phase de l'étude définira et mettra en œuvre des expériences basées au sol abordable avec des actifs robotiques déployés dans des environnements analogues et des opérateurs placés dans des environnements de simulation. La troisième et dernière phase de l'activité se terminera par la rédaction de trois documents, en plus de la thèse de doctorat: 1) Manuel de formation d’équipages pour l’opération des technologies homme-robot dans le cadre des missions d’exploration de l'ESA 2) Recommandations pour l'évaluation des performances humaine pour les opérations homme-robots dans le cadre de la sélection des astronautes 3) Un document d’évaluation de la technologie de coopération homme-robot.

Les technologies de suivi du regard permettent d’estimer les endroits dans une scène où un utilisateur regarde. Les capacités des dispositifs informatiques sont en perpétuelle croissance, ainsi que le besoin pour de nouveaux outils qui peuvent permettre de tirer profit de nouveaux moyens de communiquer (par exemple avec les yeux). Ces systèmes sont utilisés dans divers domaines, notamment dans l’interaction homme-machine, les études sur l’ergonomie et l’utilisabilité, et le transfert de connaissance. Par exemple, pour les personnes ayant une déficience motrice ou un handicap physique, la saisie de texte par le regard peut être un important moyen d’interaction. En outre, ces outils peuvent être également utilisés pour comprendre les comportements visuels d’un pilote cherchant de l’information dans un cockpit.Toutefois, un certain nombre de barrières existent et rendent l'utilisation de ces outils moins précise et donc moins efficace. L’un des problèmes majeurs est le décalage entre la position réelle et la position estimée du point de regard de l’utilisateur. Celui-ci, sujet à des erreurs de précision, ne permet pas encore de se servir pleinement du canal d’interaction que peut offrir le regard. Suite aux progrès récents des technologies de détection de mouvements oculaires, on s’intéresse de plus en plus aux systèmes abordables, pas coûteux, précis et facilement utilisables.Cette thèse porte sur différents aspects de la recherche sur les mouvements oculaires. Elle propose de nouvelles approches qui permettent d’augmenter la précision de calcul de l’estimation du regard. En effet, nous montrerons qu’il existe des fonctions polynomiales plus adaptées que les modèles utilisés dans la littérature, et même dans les outils commercialisés. Nous proposons donc une nouvelle façon de construire automatiquement de nouveaux modèles qui sont mieux adaptés pour l’estimation du regard, et ce, pour tous les types de méthodes de calibration basées sur les fonctions polynomiales, connus à ce jour. Nous présentons aussi de nouvelles stratégies pour l’interaction basée sur le regard, ne nécessitant aucune calibration préalable. En plus de proposer des stratégies pour améliorer la précision et des techniques d’interaction, des outils de visualisation et d’exploration sont également proposés. Dans cette thèse, nous contribuons alors sous quatre différents angles: les techniques de calibration, l’interaction basée sur le regard, la visualisation et l’exploration.

L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement et à la validation d'outils numériques permettant la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) de l'allumage d'un écoulement turbulent diphasique dans une chambre de combustion. Pour ce faire, une méthode de dépôt d'énergie modélisant l'apport d'énergie lié au claquage de la bougie d'allumage a été implémentée dans la chaîne de calcul CEDRE. Cette méthode a été validée sur une simulation de l'allumage d'un écoulement laminaire purement gazeux d'air et de propane. Une SGE de l'écoulement d'air du MERCATO a été effectué à l'aide du solveur Navier-Stokes CHARME de CEDRE. Cette simulation reproduit fidèlement l'écoulement turbulent non-réactif dans la chambre de combustion. Une méthode d'injection simplifiée FIMUR a été ajoutée au solveur lagrangien SPARTE de CEDRE. Dans cette méthode, des gouttes sont injectées directement au nez de l'injecteur avec une distribution de vitesse et de taille imposée. Une SGE de l'écoulement turbulent diphasique dispersé non-réactif dans la chambre MERCATO a ensuite été réalisée avec cette méthode. La comparaison des champs particulaires moyens de vitesse et de taille obtenus par simulation numérique avec les données expérimentales est satisfaisante. Enfin, des SGE de l'allumage de la chambre MERCATO ont été effectuées à partir du champ diphasique non-réactif simulé et de la méthode de dépôt d'énergie développée. Selon l'instant du dépôt d'énergie, les simulations conduisent à des allumages réussis ou ratés. La propagation de la flamme dans la chambre pour un allumage réussi a fait l'objet d'une analyse détaillée pour tenter de déterminer les principaux facteurs l'influençant.

Depuis le début de l’ère spatiale avec le lancement du satellite Spoutnik 1 en 1957, les ceintures de radiation terrestres n’ont cessé de faire l’objet d’études du fait de leur dangerosité pour les satellites mais aussi pour l’être humain. En effet, lors d’une forte activité solaire, l’injection de particules dans cet environnement radiatif peut induire des flux jusqu’à 1000 fois plus élevés que par temps calme. Par conséquent, il est important d’en comprendre la physique ainsi que la dynamique au cours de ce que l’on appelle un orage géomagnétique. Dans ce but, le Département Physique Instrumentation Environnement et Espace (DPhIEE) de l’ONERA développe depuis maintenant plus de 20 ans la famille de modèles Salammbô reproduisant de façon robuste et en trois dimensions la dynamique des particules piégées dans ces ceintures. Néanmoins, bien que précis au-delà d’environ 100 keV, la physique et les hypothèses prises en compte dans ce modèle restent insuffisantes en deçà. En effet, aux basses énergies, les ceintures de radiation ne peuvent plus être considérées comme homogènes autour de la Terre. L’objectif de cette thèse a donc été de prendre en compte une quatrième dimension, le temps magnétique local (MLT), afin de mieux reproduire l’évolution des structures fines lors d’un orage géomagnétique. La première partie s’est portée sur l’optimisation du schéma numérique. L’ajout d’une quatrième dimension induit, via l’apparition d’un terme d’advection, une forte diffusion numérique qu’il convient de limiter, tout en tenant compte du temps de calcul. L’équation statistique implémentée a alors été discrétisée selon un schéma de type Beam-Warming du second ordre couplé à un limiteur Superbee, garantissant une propagation satisfaisante de la distribution initiale. Une fois les problèmes numériques maitrisés, les différents mécanismes physiques pilotant la dynamique des particules piégées ont été implémentés dans le code, avec une attention toute particulière sur la dépendance en MLT de l’interaction onde-particule. La prise en compte des champs électriques magnétosphériques fut également nécessaire. En effet, ils constituent l’un des moteurs principaux du mouvement des particules de basses énergies. Le modèle Salammbô 4D a ensuite été validé par comparaison avec le modèle 3D déjà existant sur une simulation de l’orage magnétique de Mars 2015. Les résultats ont montré une bonne restitution de la dynamique des ceintures de radiation, avec en plus l’accès à la phase principale de l’orage. Cet évènement a ensuite été modélisé à plus basse énergie pour constater la dynamique asymétrique des électrons piégés avec le rôle prépondérant du champ électrique de convection. La comparaison avec les données du satellite THEMIS a montré une bonne modélisation des différents processus physiques, notamment celui de « dropout » par traversée de la magnétopause. Enfin, la mise en place d’une condition limite dynamique modulée par les paramètres du vent solaire et dépendante du MLT ouvre de nombreuses perspectives.

Les impacts sur structures composites peuvent fortement diminuer leur résistance résiduelle sans laisser de marque visible sur la surface extérieure. Dans le domaine aéronautique, un seuil minimum de détection de l’endommagement d’impact est défini, basé sur l’indentation permanente laissée par l’impact. En deçà de ce seuil, la structure doit résister à un chargement défini : c’est la notion de tolérance aux dommages d’impact. Dimensionner numériquement une structure composite en tenant compte des aspects détectabilité et tolérance aux dommages nécessite donc de savoir modéliser à la fois l’impact, l’indentation permanente et la résistance résiduelle sous compression. Ces travaux se focalisent sur la modélisation numérique des composites stratifiés formés de plis unidirectionnels. L’objectif est d’établir un modèle prédictif de la tenue résiduelle après impact. Une étude expérimentale a été réalisée afin d’étudier le scénario d’endommagement à l’impact et sous compression après impact (CAI), et de fournir des résultats expérimentaux pour valider les modèles numériques. Une modélisation par éléments finis avec une approche de type Discrete Ply Model (DPM) est effectuée, basée sur des travaux précédents. Le modèle d'impact est amélioré et validé sur différentes séquences d'empilement pour assurer la robustesse du modèle. Des essais de flexion trois points spécifiques sont réalisés pour apporter une meilleure compréhension de la formation de l'indentation permanente. Un nouveau modèle d'indentation permanente est alors proposé et appliqué dans le modèle d'impact. Enfin, un modèle de CAI est construit pour prédire la résistance résiduelle. Les trois étapes : impact, indentation et CAI sont combinées au sein d’un unique modèle.

Les systèmes de communication par satellite d’aujourd’hui reposent principalement sur le multiplexage temporel pour optimiser leurs performances. Chaque utilisateur utilise le canal pendant une fraction de temps connu. Pendant cette période, la modulation et le taux de codage sont choisis de manière à transmettre le plus d’information possible. En pratique, ce schéma est facile à mettre en œuvre ce qui justifie sa popularité. Cependant, il est désormais bien connu que la répartition temporelle n’est pas optimale en termes d’efficacité spectrale offerte aux récepteurs. En effet, la stratégie qui consiste à superposer des données offre de meilleures performances que le multiplexage temporel. C’est dans ce contexte que s’inscrit la problématique de cette thèse. Le travail réalisé propose des applications du codage par superposition dans le domaine des communications par satellite. Tout d’abord, nous étudions la modulation hiérarchique qui est une implémentation du codage par superposition au niveau de la modulation. Les performances de ce type de modulation sont évaluées d’un point de vue théorique et pratique. Dans un deuxième temps, nous quantifions l’amélioration en termes d’efficacité spectrale que peut apporter la modulation hiérarchique pour les systèmes de communication par satellite. Les standards de diffusion par satellite DVB-SH et DVB-S2 fournissent un cadre pratique. Nous montrons que des gains non négligeables sont envisageables selon la configuration du système. Le dernier point abordé concerne un système où des utilisateurs communiquent entre eux à l’aide d’un satellite qui sert de relais. Nous proposons un schéma de communication où plusieurs utilisateurs émettent en même temps en coordonnant leur puissance de transmission. Ainsi, les signaux vont naturellement se superposer. Les récepteurs utilisent deux mécanismes pour le décodage des signaux : le codage réseau couche physique et la démodulation de constellations superposées. Finalement, les gains de performance obtenus dans les différents domaines par le codage par superposition ouvrent des perspectives pour des travaux futurs.

Comprendre et modéliser le comportement des matériaux sous irradiation électronique est un enjeu important pour l’industrie spatiale. La fiabilité des satellites nécessite de maîtriser et prédire les potentiels de surface s'établissant sur les diélectriques. Ce travail de doctorat a donc pour objectif de caractériser et de modéliser les différents mécanismes physiques (en surface et en volume) gouvernant le potentiel de charges dans les matériaux polymères spatiaux tels que le Téflon® FEP et le Kapton® HN. La mise au point d'un nouveau dispositif et d'un protocole expérimental a permis de corroborer l'existence d’une conductivité latérale des charges, souvent négligée dans les modèles physiques et numériques. Les études paramétriques, révélant l’influence de l’énergie et le flux des électrons incidents, ont permis de brosser un portrait des processus mis en jeu pour le transport (par saut ou par piégeage/dépiégeage) de charges en surface. A la lumière de cette étude, une conductivité équivalente est extraite, assimilant le matériau à un système prenant en compte les mécanismes de transport volumique et surfacique. L'analyse des évolutions non-monotones de potentiel mesurées sur les polymères spatiaux en condition spatiale a permis de révéler une dépendance de la conductivité volumique induite sous irradiation avec la dose reçue. L'étude paramétrique réalisée sur les mécanismes de transport en volume révèle une influence minoritaire du déplacement du barycentre de charges et du vieillissement physicochimique. Un modèle «0D» à un seul niveau de pièges, prenant en compte les mécanismes de piégeage/dépiégeage et recombinaison entre les porteurs de charges, a été développé. Ce modèle simplifié permet de reproduire qualitativement les évolutions de potentiel expérimentales en fonction du débit de dose et lors d'irradiations successives.

Ce travail de thèse est consacré à l'extension de l'Inversion Dynamique non-linéaire (NDI-Nonlinear Dynamic Inversion) pour un ensemble plus grand de systèmes non-linéaires, tout en garantissant des conditions de stabilité suffisantes. La NDI a été étudiée dans le cas de diverses applications, y compris en aéronautique et en aérospatiale. Elle permet de calculer des lois de contrôle capables de linéariser et de découpler un modèle non-linéaire à tout point de fonctionnement de son enveloppe d'état. Cependant cette méthode est intrinsèquement non-robuste aux erreurs de modélisation et aux saturations en entrée. En outre, dans un contexte non-linéaire, l'obtention d'une garantie quantifiable du domaine de stabilité atteint reste à l'heure actuelle complexe. Contrairement aux approches classiques de la NDI, notre méthodologie peut être considérée comme un cadre de compensation non-linéaire généralisé qui permet d'intégrer les incertitudes et les saturations en entrée dans le processus de conception. En utilisant des stratégies de contrôle antiwindup, la loi de pilotage peut être calculée grâce à un simple processus en deux phases. Dans ce cadre de travail généralisé des transformations linéaires fractionnaires (LFT - Linear Fractional Transformations) de la boucle fermée non-linéaire peuvent être facilement déduites pour l'analyse de la stabilité robuste en utilisant des outils standards pour de systèmes linéaires. La méthode proposée est testée pour le pilotage d'un véhicule de rentrée atmosphérique de type aile delta lors de ses phases hypersonique, transsonique et subsonique. Pour cette thèse, un simulateur du vol incluant divers facteurs externes ainsi que des erreurs de modélisation a été développé dans Simulink.