Les manipulateurs spatiaux permettent de répondre à une variété de problèmes dans les futures exploitations et explorations spatiales, tels que le déploiement en orbite, l’élimination active des débris ou les opérations de maintenance. Toutefois, il est difficile de contrôler de manière autonome les systèmes de manipulateurs spatiaux dans le cas de structures légères et de grande taille présentant alors un comportement flexible. La dynamique flexible représente un défi, premièrement par sa modélisation et secondement les couplages avec le manipulateur peuvent détériorer la qualité du contrôle. Cette thèse aborde les problèmes de conception et de contrôle d’un manipulateur spatial autonome équipé de dispositifs d’échange de moment cinétique pour le contrôle de la rotation d’un vaisseau spatial lorsqu’il est confronté à des perturbations internes au système, des incertitudes de modèle et des erreurs de mesure. La modélisation de la dynamique rigide-flexible d’un système multi-corps reste une tâche difficile, et une première contribution de ce travail est un outil de modélisation générique pour dériver la cinématique et la dynamique d’un manipulateur spatial flottant dont les rotations sont contrôlées et en présence d’appendices flexibles. Cette analyse a conduit à la contribution principale de cette thèse, à savoir l’implémentation et la conception d’une loi de contrôle pour les opérations de maintenance en orbite. Grâce au modèle, la commande proposée inclut les états non mesurables (i.e. les modes flexibles) dans le découplage et la linéarisation du système, et les lois de pilotage établies sont basées sur l’inversion dynamique non linéaire où des observateurs sont introduits pour améliorer la qualité de la linéarisation. Dans une première mise en oeuvre, un observateur d’état étendu a été utilisé pour estimer la dynamique flexible. Puis, dans un deuxième temps, les incertitudes de modélisation et les erreurs de mesure ont été traitées par l’ajout d’un observateur de perturbations non linéaires. Les interdépendances entre les observateurs et la dynamique de contrôle ont motivé un calcul simultané de leurs gains afin d’améliorer la stabilité du système et les performances de contrôle. Ce point a été atteint par la résolution d’inégalités matricielles linéaires pour garantir la stabilité obtenue à l’aide d’une fonction de Lyapunov appropriée. Afin de mettre en évidence l’intérêt du schéma proposé et de valider notre approche dans un environnement réaliste, des tests approfondis d’un cas d’utilisation de l’assemblage d’un télescope spatial en orbite ont été réalisés sur un simulateur haute-fidélité.

La réfraction troposphérique anormale entraîne une déviation des performances des systèmes radar marine par rapport à la normale. L'objectif principal de la thèse est de développer une technique d'inversion de la réfractivité pour prédire les anomalies de la couverture du radar avec précision et en temps réel. Dans cette étude, la réfractivité est supposée ne dépendre que de l'altitude et elle est prédite à partir de mesures d'ondes radio sans phase prises en configuration bistatique. Nous sommes intéressés par l'exploration des techniques d'inversion qui sont efficaces dans des scénarios réalistes à haute dimension pendant les opérations maritimes et qui peuvent maintenir la précision avec un minimum de besoin de connaissance a priori spécifiques au cas par cas. L'objectif à long terme est de transférer les techniques et les connaissances développées pour progresser vers un système de 'Refractivity-From-Clutter', qui est la technique d'inversion autosuffisant idéale pour améliorer l'autodéfense des navires, mais plus complexe à analyser et à développer correctement. Le problème inverse est formulé comme un problème d'optimisation non linéaire basé sur la simulation, qui est abordé à l'aide de méthodes Quasi-Newton. Les simulations sont modélisées par l'équation d'onde parabolique grand angle de Thomson et Chapman. Le gradient du problème d'optimisation est obtenu à l'aide de l'approche variationnelle adjointe et il est estimé de manière peu coûteuse au coût de deux simulations du modèle direct, quelle que soit la dimension des paramètres. Les dérivations sont validées numériquement en utilisant des mesures générées synthétiquement. Les tests numériques ont révélé la gravité de la non-linéarité et du caractère mal posé du problème inverse qui conduit souvent à des résultats d'inversion inexacts, même dans des conditions idéales lorsqu'il n'existe aucune erreur de modélisation ou de mesure. Des stratégies multi-échelles sont utilisées pour atténuer la non-linéarité du problème. Des résultats d'inversion précis sont obtenus en réduisant les espaces de paramètre et de mesures. Les avantages et les limites de la technique sont discutés dans des scénarios réalistes à haute dimension. Mots clés: propagation des ondes radio, optimisation numérique, problèmes inverses, inversion de la réfractivité, équation parabolique grand angle, modèle adjoint.

Le travail présenté dans cette thèse a pour but de construire un pont entre le contrôle basé sur les données et les logiques de conception de contrôle conventionnelles pour rejeter des perturbations périodiques inconnues complexes agissant sur des systèmes linéaires ou non linéaires. La principale contribution de la thèse est l'approche de contrôle à trois couches qui montre comment combiner le contrôle de type apprentissage (basé sur les données) et le contrôle de type non-apprentissage (conventionnel) au moyen d'un processus d'identification comme outil de connexion entre les deux. Cette approche est expliquée au chapitre 5 de la thèse. Un point particulièrement motivant de l'approche proposée est qu'elle peut fonctionner correctement sous des perturbations périodiques inconnues complexes à la fois lorsque le système est linéaire et non linéaire (les performances en cas linéaire sont beaucoup plus élevées que celles en cas non linéaire pour lesquelles les raisons seront expliquées au chapitre 5 et la conclusion générale). La faisabilité de cette approche est prouvée avec des résultats de simulation. La structure de la thèse est la suivante. Dans le chapitre 1, une introduction est donnée afin de développer les méthodes de contrôle de type apprentissage et non-apprentissage existantes et de décrire le processus de développement de la thèse. Dans le chapitre 2, une étude est consacrée à la bibliographie du contrôle d'apprentissage itératif (ILC) où des concepts de conception importants pour l'ILC ainsi que la principale méthode ILC utilisée tout au long de la thèse (c'est-à-dire la norme optimale ILC (NO-ILC)) sont introduits. Dans le chapitre 3, une application pratique avec un véritable drone d'intérieur est présentée comme une étude d'introduction qui a été réalisée pour tester la faisabilité du NO-ILC et déterminer s'il pouvait ou non être utilisé dans le reste du travail de thèse. Dans le chapitre 4, la principale contribution de la thèse commence à se développer avec la proposition d'une procédure de réglage automatique des contrôleurs de rétroaction linéaire qui reçoit le nom de workflow de réglage de contrôleur basé sur l'apprentissage (LBCT). Cette procédure peut être considérée comme la première tentative de créer une connexion entre le contrôle basé sur les données et le contrôle conventionnel tout au long de la thèse. Il est démontré avec les résultats de simulation d'un problème de rejet de perturbations périodiques inconnu a priori que l'ILC peut être utilisé comme un outil puissant pour simplifier la conception des contrôleurs de rétroaction. L'ensemble de ce processus correspond en fait à la transformation de l'ILC basée sur les données en une loi de rétroaction de manière approximative. Ensuite, dans le chapitre 5, les idées présentées dans le chapitre 4 sont développées plus avant et l'approche qui est mentionnée ci-dessus en tant que contrôle à trois couches est obtenue comme résultat principal de la thèse. La dernière section de la thèse est consacrée à une conclusion qui fournit quelques suggestions sur les études futures dans le sujet donné et elle implique le regard critique de l'auteur sur divers points concernant les applications et les approches menées au cours de la thèse.

Au travers d'une prise de conscience accrue sur les rejets de gaz à effet de serre, l'épuisement accéléré des ressources naturelles ou encore l'augmentation de dépôt de déchets solides, de nombreux acteurs institutionnels promeuvent aujourd'hui le développement d'une économie circulaire. L'une des étapes cruciales de ce développement est la mise en place de chaînes logistiques inverses, dont la conception constitue un fort enjeu stratégique. Or, de nombreux facteurs d'incertitude rendent la prise de décision à cette étape extrêmement difficile. L'objectif du projet est de fournir au décideurs un support méthodologique basé sur les nouveaux modèles d'incertitude adaptés au contexte en plein essor, mais néanmoins complexe de l'économie circulaire. L'originalité du projet réside dans le développement de nouveaux modèles pour représenter l'incertitude d'une façon qui soit mieux adaptée aux besoins et contraintes des décideurs. Ces modèles seront basés en adéquation avec l'information disponible à l'étape stratégique de la conception et en tenant compte des aspect bipolaire de la décision risque/opportunité. Les résultats de ce projet interdisciplinaire contribueront à la fois sur le plan méthodologique du génie industriel, dans le domaine de la logistique inverse et sur le plan théorique de l'intelligence artificielle à un enrichissement des modèles de décision bipolaire.

Dans de nombreuses applications, aucun modèle physique du système n'est disponible, il s'agit alors de contrôler le système à partir de mesures entrées-sorties. Deux types d'approches sont envisageables : identifier un modèle du système puis l'utiliser afin de synthétiser un contrôleur, ce sont les méthodes indirectes, ou identifier le contrôleur directement à partir des données du système, ce sont les méthodes directes. Cette thèse se concentre sur les méthodes directes : l'objectif du travail présenté est de mettre en place une nouvelle méthode directe basée sur des données fréquentielles du système à contrôler. Après un tour d’horizon des méthodes indirectes existantes la méthode proposée est introduite. Il s’agit de résoudre un problème de suivi de modèle de référence : le problème d’identification est déporté du système vers le contrôleur. Dans ce cadre, deux techniques d’identification sont considérées dans cette thèse : l’interpolation de Loewner et l’approche des sous-espaces. De plus, les instabilités du système sont estimées en projetant les données fréquentielles disponibles. Cela permet de connaître les limites en performances du système et, par conséquent, de choisir des spécifications atteignables. Enfin, une analyse de la stabilité en boucle fermée permet d’obtenir un contrôleur stabilisant d’ordre réduit. Tout au long de ce travail, les différentes étapes de la méthode sont appliquées progressivement sur des exemples numériques. Pour finir, la méthode proposée est appliquée sur deux systèmes irrationnels, décrits par des équations aux dérivées partielles: un cristalliseur continu et un canal de génération. Ces deux exemples sont représentatifs de la catégorie de systèmes pour lesquels utiliser une méthode de contrôle directe est plus pertinent.

Les avancées récentes dans le domaine de navigation par satellites (GNSS) ont conduit à une prolifération des applications de géolocalisation dans les milieux urbains. Pour de tels environnements, les applications GNSS souffrent d’une grande dégradation liée à la réception des signaux satellitaires en lignes indirectes (NLOS) et en multitrajets (MP). Ce travail de thèse propose une méthodologie originale pour l’utilisation constructive des signaux dégradés MP/NLOS, en appliquant des techniques avancées de traitement du signal ou à l’aide d’une assistance d’un simulateur 3D de propagation des signaux GNSS. D’abord, nous avons établi le niveau maximal réalisable sur la précision de positionnement par un système GNSS "Stand-Alone" en présence de conditions MP/NLOS, en étudiant les bornes inférieures sur l’estimation en présence des signaux MP/NLOS. Pour mieux améliorer ce niveau de précision, nous avons proposé de compenser les erreurs NLOS en utilisant un simulateur 3D des signaux GNSS afin de prédire les biais MP/NLOS et de les intégrer comme des observations dans l’estimation de la position, soit par correction des mesures dégradées ou par sélection d’une position parmi une grille de positions candidates. L’application des approches proposées dans un environnement urbain profond montre une bonne amélioration des performances de positionnement dans ces conditions.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont pour objectif de proposer un langage de description temporelle pour des systèmes temps-réel et d’établir les conditions de leur ordonnançabilité sous l’algorithme Earliest Deadline First (EDF). Les langages de description temporelle permettent de spécifier le comportement temporel d’une application indépendamment de son comportement fonctionnel. Le programmeur déclare dans ces langages à quels instants précis doivent être déclenchées et terminées les activités du système. Cette gestion du temps, précise et explicite, apporte au système son caractère déterministe. Le langage proposé, Extended Timing Definition Language (E-TDL), étend des langages dirigés par le temps existants, en particulier Giotto et TDL, en introduisant un nouveau modèle de tâche donné par quatre paramètres : phase, pire temps d’exécution, temps d’exécution logique TEL (intervalle de temps séparant le lancement de la tâche et sa terminaison) et période. L’introduction de ce nouveau modèle de tâche nécessite de revisiter en particulier le problème de l’ordonnançabilité des tâches pour EDF. Cette thèse propose et développe une analyse basée sur la fonction de demande pour des ensembles de tâches décrites en E-TDL et s’exécutant en contexte monoprocesseur. Une condition nécessaire et suffisante est obtenue au travers d’une analyse précise des intervalles séparant les activations de tâches au sein de différents modules s’exécutant indépendamment et pouvant changer de mode à des instants prédéfinis. Une borne de la longueur des intervalles sur lesquels doit s’opérer la vérification est déterminée. Un outil mettant en œuvre cette analyse a été développé.

Cette thèse porte sur une nouvelle approche pour le contrôle d’écoulement aérodynamique. Cette nouvelle approche est basée sur l’utilisation d’actionneurs plasma. La modélisation numérique peut être une outil puissante entre les mains des scientifiques et des ingénieurs pour comprendre, optimiser et ainsi ouvrir la voie à la commercialisation et l’application de cette technologie. Le couplage entre l’électromagnétisme, le plasma et l’écoulement, nécessite des modèles et des techniques numériques avancées. Le travail présenté dans cette thèse, a pour principaux objectifs : le développement et la validation de méthodes numériques pour simuler efficacement le fonctionnement de certains des plus importants types d’actionneurs plasma. Nous nous sommes intéressés à trois types d’actionneurs plasma : les décharges micro-ondes, la décharge à barrière diélectrique (DBD) et le jet synthétique plasma (JSP). En ce qui concerne les décharges microondes, les objectifs sont plus fondamentaux que pour les autres types d’actionneurs. Il s’est agit de mieux comprendre la création du plasma, son évolution et de calculer l’efficacité énergétique de dispositifs microondes par la simulation numérique. Un schéma couplé implicite (ADI) - FDTD avec un modèle de plasma fluide simplifié est présenté. Cette formulation conserve la simplicité et la robustesse des systèmes de FDTD, tout en dépassant la barrière du critère de stabilité CFL. Elle conduit à un temps de calcul réduit et la possibilité de réaliser des simulations tridimensionnelles de la formation du plasma et de l’évolution d’un plasma dans un champ micro-ondes. Afin d’étudier l’énergie absorbée par le plasma et le transfert vers le gaz sous forme de chaleur ainsi que le changement consécutif de la densité du gaz, un solveur Euler a été couplé avec le modèle EM-plasma en tenant compte des effets de gaz réel. Diverses validations et applications sont ensuite étudiés. Des simulations tridimensionnelles de formation du plasma sont réalisée qui montrent la formation de structures dans une décharge micro-ondes librement localisée. Les effets de chauffage de gaz sur le développement d’un "streamer" et la durée d’un volume pré-ionisé avec des champs sous-critiques sont également calculés. En ce qui concerne les deux autres groupes d’actionneurs, les objectifs de cette thèse se concentrent sur la modélisation de leur fonctionnement et sur la production d’écoulement qui en résulte. Le Jet Synthétique Plasma a été numériquement étudié par trois modèles couplés. Les résultats obtenus sont prometteurs pour l’optimisation du JSP et une meilleure compréhension des mécanismes qui limitent ses performances. L’actionneur DBD a été modélisée en utilisant deux solveurs différents basés sur des modèles physiques similaires - celui développé à l’ONERA et l’autre à LAPLACE. Des études paramétriques ont montré que les modèles donnent une estimation assez précise de la force produite par le DBD par rapport à des mesures expérimentales. Des applications aérodynamiques de contrôle d’écoulement ont démontré les effets possibles de ces actionneurs pour la transition laminaire - turbulente et l’amélioration de la portance. Ces travaux ouvrent une perspective nouvelle dans la conception et l’optimisation de ces actionneurs.

La demande accrue de services en temps rel, comme la vidéo streaming, justifie le besoin d'études qui visent à optimiser le délai de transmission de données. En plus du délai de transmission au niveau physique, les délais nécessaires à l'accès à la ressource et à la récupération de données venant des couches basses peuvent avoir un impact important sur les performances et ne doivent pas être négligés. Aussi, des études cross-layer doivent être menées pour minimiser le délai de transmission de l'information. Comprendre l'impact des mécanismes des couches basses sur les performances de bout-en-bout permet un meilleur dimensionnement du réseau, une adaptation du trafic transmis, ou l'introduction de service à faible priorité. Dans cette thèse, nous avons mesuré l'impact des mécanismes des couches liaison et réseau sur les performances de divers protocols de congestion de la couche transport. Dans le contexte des liens 4G par satellite, nous proposons un ensemble d'outils, Trace Manager Tool (TMT) et Cross Layer InFormation Tool (CLIFT), pour simuler de manière réaliste l'ensemble de la couche OSI dans le simulateur de réseau NS-2. Nous avons montré que, pour l'ensemble des variantes de TCP considérées, quand le débit au niveau transport est proche de la capacité de canal, utiliser ARQ au niveau liaison est optimal. Dans le cas où le taux d'erreur au niveau de la couche physique est plus élevé, H-ARQ permet d'obtenir un meilleur débit au niveau transport. Les dernières spécifications concernant l'accès au lien satellite DVB-RCS2 présentent deux méthodes d'accès (aléatoire et dédié) qui peuvent être implémentées pour permettre aux utilisateurs des services proposés par DVB d'aller sur Internet ou de transmettre des données. Nous avons développé un module pour NS-2, Physical Channel Access (PCA), qui modèle l'accès au canal pour chacune de ces méthodes afin de comparer leur impact sur les performances de bout-en-bout. Nous avons mesuré que les méthodes d'accès dédié permettent un débit plus important et les méthodes d'accès aléatoire une transmission rapide des flots courts. Nous avons donc proposé de mixer ces méthodes d'accès, en fonction de l'évolution dynamique de la charge du réseau et de la taille du flot de données transmis. Finalement, nous avons étudié s'il était possible d'exploiter les données de la gateway du satellite pour introduire un trafic à priorité basse. Nous avons montré qu'il était possible avec Low Ewtra Delay Background Transport (LEDBAT) comme protocole de la couche transport d'introduire un trafic en tâche de fond. Cependant, en fonction de la variation de la charge du réseau, paramétrer correctement des paramètres internes à ce protocole sont nécessaires.

Les milieux diffusants épais et absorbant sont présents dans un grand nombre de domaine : peintures, jets, crèmes et produits cosmétiques, tissus biologiques, etc. L’étude in situ et non invasive de tels milieux est de la plus haute importance car l’enjeu est de pouvoir mesurer les propriétés physiques à l’intérieur même du système sans le perturber. L’utilisation d’un laser femtoseconde permet de sonder ces milieux en profondeur tout en effectuant des mesures de temps de vol des photons. L’objectif de cette thèse est de modéliser l’interaction entre une impulsion femtoseconde et un milieu à la fois diffusant et absorbant. L’effet principal des processus d’absorption est d’accélérer le temps de vol des photons. En effet, plus un photon reste longtemps dans le milieu, plus il aura de chance d’être absorbé. Les processus d’absorption ont en effet la propriété de « tuer » les trajectoires les plus longues, qui correspondent aux retards les plus conséquents. Une étude fine des signatures temporelles peut donc renseigner quant à la taille des particules, au coefficient d’absorption du liant, des particules ou d’autres paramètres microphysiques du milieu. Une partie conséquente du travail de thèse a consisté à étendre les modèles de diffusion temporelle au cas d'un milieu absorbant. Nous avons enfin réalisé plusieurs applications numériques à l’aide d’un code de Monte-Carlo modélisant la diffusion multiple temporelle dans un milieu absorbant. Deux cas particuliers exhibant une modification des signatures temporelles très sensibles à l’absorption ont été étudiés et illustrés de cas concret. Tout d’abord, nous montrons qu’une très faible absorption dans de grosses particules se répercute sur la signature temporelle en diffusion avant. Une application pour la détermination de la température d’alumine dans un jet de propulseur est envisagée. Ensuite, l’absorption du liant réduit les temps de vol en rétrodiffusion. Une mise en évidence expérimentale de ce phénomène ainsi qu’une comparaison avec nos modèles sont présentées.