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Conception numérique de matériaux architecturés à instabilités
No full textArchitectured materials have gained interest due to advancements in manufacturing techniques. Their defining feature is the presence of an intermediate scale. This intermediate separation presents new opportunities, as manipulating the material's geometry, topology, and morphology at this scale determines its functional properties which can be beyond those of classical bulk materials.However, architectured materials also tend to be subject to instabilities. While these instabilities are generally detrimental to material performance, they can be of interest. For example, it has been observed that such instabilities can alter the material's wave propagation properties, Poisson ratio, effective negative swelling ratio, and chirality.The objective of this PhD is to develop an engineering-focused solution for efficiently designing pattern generating architectured materials. It is part of the Max-Oasis ANR project, which aims to establish a standardised approach for designing architectured materials prone to instabilities using group theoretic tools.A literature review on the subject is first presented insisting on the regular hexagonal honeycomb lattice under in-plane compression. It is found that the change in pattern arises from a loss of symmetry and occurs at a bifurcation point on the equilibrium path. We introduce a number of methods used to determine the bifurcation point and associated post-bifurcated patterns.We then introduce the mathematical tools which will be used in our design methodology: bifurcation theory, group theory and equivariant bifurcation theory applied to structural mechanics.Next, we present the core of our work: the method for finding the post-bifurcated patterns in architectured materials. It is fully automatised in Python and the group theoretic calculations carried out by GAP software.The method uses the symmetry group of the material to predict its associated post-bifurcated patterns. The bifurcation mechanisms are assessed by studying the symmetry of its unit cell. After calculating the irreducible representations of this symmetry group, the isotropy subgroups are determined, which serve as potential symmetry groups for bifurcated solutions. To determine the existence of a solution, the Equivariant Branching Lemma is used and the dimensions of the fixed-point subspaces of each candidate are computed. The representative unit cell is then meshed with beam elements, and the displacements of its nodes are constrained using the symmetries of the isotropy subgroups. The bifurcated patterns are obtained by computing the constrained displacements that minimise the strain energy of the unit cell. After computing this, the first bifurcation point on the equilibrium path is calculated.The results were compared with existing literature on hexagonal honeycombs and the regular triangular lattice, showing good agreements. New patterns that have not been observed before were also computed.The method separates design parameters and provides versatility, allowing for rapid pattern screening. It can be used as inputs for generalised continuum models to assess material behaviour.Limitations of the method include determining an appropriate unit cell size and stability of post-bifurcated patterns. The method focuses on mesoscopic instabilities and does not predict macroscopic instabilities or incorporate plasticity. Future work could involve adapting the method to consider these factors.Overall, the method offers a robust and automated approach for designing architectured materials. It has the advantage of exploring post-bifurcated possibilities for any architecture and provides exhaustive results without additional parameters. Further research opportunities include applying the method to new architectures and obtaining their catalogue of post-bifurcated patterns, exploring more complex links between nodes, and determining the appropriate load for obtaining a given pattern.Les matériaux architecturés suscitent un intérêt grandissant notamment grâce aux avancées des techniques de fabrication. Ils se distinguent de matériaux traditionnels par la présence d'une échelle intermédiaire. Cette séparation intermédiaire offre de nouvelles possibilités, car sa géométrie, topologie et morphologie du à cette échelle détermine ses propriétés fonctionnelles.Cependant, les matériaux architecturés sont également sujets aux instabilités. Bien que ces instabilités soient généralement néfastes, elles peuvent parfois présenter un intérêt. Par exemple, il a été observé qu'elles peuvent modifier les propriétés de propagation d'ondes, le rapport de Poisson, le rapport de gonflement négatif effectif et la chiralité du matériau.L'objectif de cette thèse est de développer un outil de prédiction du comportement post-bifurqué robuste. Elle s'inscrit dans le projet ANR Max-Oasis, qui vise à développer une approche de conception systématique basée sur l’utilisation d’outils de la théorie des groupes.Une revue de littérature sur le sujet est d'abord présentée en insistant sur le nid d'abeilles soumis à une compression dans le plan. Le changement de motif résulte d'une perte de symétrie et se produit à un point de bifurcation sur le chemin d'équilibre. Nous présentons plusieurs méthodes utilisées pour déterminer le point de bifurcation et les motifs post-bifurqués associés.Nous développons ensuite les outils mathématiques qui seront utilisés dans notre méthode : la théorie des bifurcations et la théorie des groupes appliquées à la mécanique des structures.Ensuite, nous présentons le cœur de notre travail : la méthode pour trouver les motifs post-bifurqués dans les matériaux architecturés créant des motifs. Elle est entièrement automatisée en Python et les calculs de théorie des groupes sont réalisés à l'aide du logiciel GAP.La méthode utilise le groupe de symétrie du matériau pour prédire ses motifs post-bifurqués. Les mécanismes de bifurcation sont évalués en étudiant la symétrie de sa cellule élémentaire. Après avoir calculé les représentations irréductibles de ce groupe, ses sous-groupes d'isotropie sont déterminés. Ce sont en réalité les groupes de symétrie candidats des solutions bifurquées. Pour affirmer l'existence d'une solution bifurquée, le "Equivariant Branching Lemma" est utilisé et les dimensions des sous-espaces fixes de chaque candidat sont calculés. La cellule élémentaire est ensuite maillée avec des éléments de poutre, et les déplacements de ses nœuds sont contraints en utilisant les symétries des sous-groupes d'isotropie. Les motifs bifurqués sont obtenus en calculant les déplacements contraints qui minimisent l'énergie de déformation de la cellule élémentaire. Enfin, le premier point de bifurcation sur le chemin d'équilibre est déterminé.Les résultats concordent avec ceux de la littérature existante sur les nids d'abeilles et le treillis triangulaire régulier. De nouveaux motifs qui n'avaient jamais été observés auparavant ont également été trouvés.La méthode sépare les paramètres de conception et offre une grande flexibilité, permettant une détermination rapide des motifs. Elle peut être utilisée comme entrées pour des modèles d'homogénéisation. En revanche, elle ne permet pas de déterminer la taille de la cellule élémentaire ni la stabilité des motifs post-bifurqués. Elle se concentre sur les instabilités mésoscopiques et n'incorpore pas non plus la plasticité. Les travaux futurs pourraient consister à l'adapter pour prendre en compte ces éléments.Dans l'ensemble, la méthode offre une approche robuste et automatisée pour la conception de matériaux architecturés générant des motifs. Elle est utilisable sur n'importe quelle architecture et fournit des résultats exhaustifs. Des recherches futures pourraient être l'application de la méthode à de nouvelles architectures, l'ajout d'éléments plus complexes entre les nœuds et la détermination du chargement nécessaire pour obtenir un motif donné
Modélisation et analyse de processus pour l'écriture directe à l'encre basée sur des simulations numériques
No full textDirect ink writing (DIW) is one of the most popular additive manufacturing (AM) techniques in recent years. DIW belongs to material extrusion AM (MEAM) and it has outstanding advantages in terms of material compatibility and equipment flexibility compared with other AM techniques. However, the process understanding and analysis of DIW have not been fully studied, which limits the manufacturing accuracy and application promotion of this technique. Numerical simulation is one of the most powerful tools in process analysis in AM. The research on process modeling and analysis of DIW based on numerical simulations will provide important support for the development and guidance of DIW. However, there is currently few systematic work on process modeling and analysis based on numerical simulations for DIW. To bridge this gap, the objective of this thesis is to do research on process modeling and analysis for DIW based on numerical simulations. This thesis suggests effective numerical simulations based on Volume Of Fluid (VOF) method for the modeling outputs in DIW and verifies the numerical simulations by experimental verification. Process analysis is conducted based on the proposed numerical simulations, which is helpful for the process understanding and analysis of DIW.L'écriture directe à l'encre (DIW) est l'une des techniques de fabrication additive (FA) les plus populaires ces dernières années. DIW appartient à la FA à extrusion de matériaux (MEAM) et elle présente des avantages exceptionnels en termes de compatibilité des matériaux et de flexibilité de l'équipement par rapport aux autres techniques FA. Cependant, la compréhension et l'analyse du processus de DIW n'ont pas été entièrement étudiées, ce qui limite la précision de fabrication et la promotion de l'application de cette technique. La simulation numérique est l'une des outils les plus puissants d'analyse de processus en FA. La recherche sur la modélisation des processus et l'analyse de DIW basée sur des simulations numériques fournira un soutien important pour le développement et l'orientation de DIW. Cependant, il existe actuellement peu de travaux systématiques sur la modélisation et l'analyse des processus basés sur des simulations numériques pour DIW. Pour combler cette lacune, l'objectif de cette thèse est de faire des recherches sur la modélisation et l'analyse des processus pour DIW basée sur des simulations numériques. Cette thèse propose des simulations numériques efficaces basées sur la méthode VOF (Volume OF Fluid) pour la modélisation des sorties dans DIW et vérifie les simulations numériques par vérification expérimentale. L'analyse des processus est effectuée sur la base des simulations numériques proposées, ce qui est utile pour la compréhension et l'analyse des processus de DIW
Estimation d'erreur a posteriori et contrôle adaptatif pour les solveurs éléments finis avec remaillage dynamique : application au processus de trempe industrielle
No full textQuenching is a heat treatment process used to modify the mechanical properties of the forged, moulded or welded metal part. It consists of heating a workpiece to change its microstructure and its properties like hardness, resistance and toughness. The workpiece is then cooled in a medium (oil, water, polymer solution or air). This process is commonly used to harden and reinforce metal parts for the automotive and aerospace sectors such as rings and gears and other transmission parts. It is also used in construction sector to avoid bards' and rods' distortions and in the energy domain (for example, seamless rolled crowns).Nowadays, with the improvement of computing power, the numerical simulation of this process become an essential tool to predict physical phenomena charactering this process such as temperature and cooling velocity, these last two are essential factors allowing to determine final characteristics of the material. Numerical simulation is an excellent tool to understand those results and to optimize them.However, the simulation of such phenomena posed scientific difficulties because their resolution implies long computational times despite the use of important computational resources.In this thesis, we are interested in the resolution of complex long time and large scale problems heat transfer and fluid flow problems. The goal is to offer a general adaptive stopping criteria for each iterative solver used in the aim of reducing the number of iterations and computational time. Those criteria are based on a posteriori error estimators computed on mesh's edges and based on recovery procedures. Those estimators are initially used to lead the anisotropic adaptive process to refine the mesh locally in the regions of interest. They allow to measure the quality of the approximated numerical solution by providing entirely computable upper bounds on the error between the exact solution and the approximated one.Our numerical tests highlight the accuracy of the estimators used and the reduction in terms of iterations' number and computational cost, this reflects the efficiency of our adaptive method. The numerical framework has been validated by confrontations with experimental results provided by our industrial partners.La trempe est un processus de traitement thermique utilisé afin de modifier les propriétés mécaniques des pièces métalliques forgées, moulées ou encore soudées. L'idée consiste à chauffer une pièce pour modifier sa microstructure , ainsi que certaines de ses propriétés, telles que la dureté, la résistance et la ténacité. La pièce est ensuite refroidie dans un milieu (eau, huile, solution à base de polymère ou air) propre au matériau ainsi qu'aux propriétés attendues.Aujourd'hui avec l'amélioration des puissances de calcul, la simulation numérique de ce processus devient un outil indispensable afin de prédire les phénomènes physiques caractérisants ce processus tel que la température et la vitesse de refroidissement. En effet ces derniers sont des facteurs essentiels dans la détermination des propriétés finales du matériau. La simulation numérique s'avère ainsi être un excellent outil pour comprendre et optimiser ces résultats.Néanmoins, la simulation de tels phénomènes pose des difficultés scientifiques puisque la résolution implique des temps de calcul très conséquents malgré l'utilisation de ressources informatiques importantes.Cette thèse s'intéresse à la résolution de problèmes complexes couplant écoulements et transferts thermiques. L'objectif est de fournir un critère d'arrêt adaptatif général pour chaque solveur itératif utilisé afin de réduire le nombre d'itérations et le temps de calcul. Ces critères sont basés sur les estimateurs d'erreurs a posteriori calculés au niveau des arêtes du maillage en utilisant des procédures de reconstruction. Les estimateurs, quant à eux, sont initialement utilisés dans le processus d'adaptation de maillage anisotrope pour raffiner le maillage localement au niveau des quantités d'intérêt. Ils permettent de mesurer la qualité de la solution numérique approchée en donnant des bornes supérieurs entièrement calculables sur l'erreur entre la solution exact et la solution approchée.Nos tests numériques mettent en évidence, d'un part, la précision des estimateurs utilisés et, d'autre part, la réduction en terme d'itérations et coût de calcul, ce qui témoigne des performances de la méthode adaptative proposée. Enfin, le cadre numérique a été validé par des confrontations aux résultats expérimentaux fournis par nos partenaires industriels
Propriétés thermomécaniques d'un simulant de régolithe du site de la mission Mars Insight
No full textThe NASA Mars InSight mission is a Discovery mission aiming at to investigating the interior of the red planet to support the understanding of its formation process and that of other rocky planets. One of the many study fronts faced by the InSight Mission Science Team is the study of the properties of the material in direct contact with the lander and its instruments, some of which were deployed on the surface of the planet by using a robotic arm. This endeavour is the key objective of the Near Surface Working Group (NSWG), and the main goal of the different works and results presented in this document is related to this research goal. The lander uses three main instruments: the first one is the Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS), a highly accurate seismometer resulting from decades of work by French institutions including Centre National des Études Spatiales CNES and Institut de Physique du Globe de Paris IPGP; this instrument is the most relevant for this work. The second one is the Heat and Physical Properties Package (HP3), a thermal probe designed to drill inside the Martian surface to depths of up to 5m. The last one is the Rotation and Interior Structure Experiment or RISE antenna, which studies the interior structure of the planet aided by the rotation movement of Mars, tracking the position of the lander and the shifting of the planets north pole to propose models of its moment of inertia.This work is aimed at characterising the surface regolith properties at the site of the Mars InSight lander, landed on Elysium Planitia since November 2018. This comprises experimental investigations on a Martian Regolith Simulant together with some complementary activities. The key questions addressed were the interaction of the SEIS with the Martian regolith in direct contact with its three feet, its very small strain stiffness (in the elastic range), as well as the thermal conductivity and the mechanical effect of atmospheric pressure fluctuations. The experimental work conducted concerns the poorly explored field of soil mechanics under very low stresses and strains (down to 1.75 kPa). Sample preparation is another question explored, since the loosest possible densities of the regolith analogue are utilised to mimic the Martian regolith.The thesis was developed within a joint supervision between the Universidad de los Andes (Bogota, Colombia) and the École des Ponts ParisTech (France). Experimental work was conducted at the facilities of both institutions. A collaborations with PhD student Maria Juliana Chaparro (Los Andes) also helped assess the dynamic properties of the regolith simulant.La mission Mars InSight de la NASA est une mission Discovery visant à étudier l'intérieur de la planète rouge, et par conséquent à aider à la compréhension de son processus de formation et de celui des autres planètes telluriques. L'un des nombreux fronts d'étude auxquels est confrontée l'équipe scientifique de la mission InSight est l'étude des propriétés du matériau situé en contact direct avec l'atterrisseur et ses instruments, dont certains ont été déployés à la surface de la planète via l'utilisation d'un bras robotique. Cet effort est le but du groupe de travail Near Surface Working Group (NSWG), et les travaux et résultats présentés dans ce document est de fournir des informations pour aider cet objectif de recherche. L'atterrisseur utilise trois instruments principaux pour atteindre ses objectifs scientifiques : le premier est le Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS), un sismomètre de haute précision résultant de plusieurs décennies d'efforts menés par des institutions françaises, dont le Centre National des Études Spatiales CNES et l’Institut de Physique du Globe de Paris IPGP ; cet instrument est le plus pertinent pour ce travail. Le deuxième est le Heat and Physical Properties Package (HP3), une sonde thermique conçue pour forer l’intérieur de la surface martienne jusqu’à des profondeurs allant jusqu’à 5 m. La dernière est l'antenne Rotation and Interior Structure Experiment ou RISE, qui étudie la structure intérieure de la planète à l'aide du mouvement de rotation de Mars, en suivant la position de l'atterrisseur et le déplacement du pôle Nord de la planète pour proposer des modèles de son moment d’inertie. Ce travail consiste en plusieurs activités de recherche dans le domaine de la mécanique des sols, réalisées dans le but de caractériser le matériau situé à la surface de l'atterrisseur Mars InSight de la NASA, installé sur Elysium Planitia depuis novembre 2018. Il s'agit principalement d'essais expérimentaux dans un analogue de régolithe martien et quelques activités complémentaires. Les questions clés abordées étaient l'interaction du SEIS avec le régolithe martien de surface en contact direct avec ses trois pieds, la faible rigidité en déformation de ce matériau (comportement en gamme élastique), ainsi que certaines questions spécifiques telles que la conductivité thermique et l’effet des fluctuations de la pression atmosphérique. Les travaux expérimentaux menés représentent notamment une connaissance précieuse dans le monde peu exploré de la mécanique des sols sous de très faibles contraintes et déformations (le plus souvent inférieures à 50 kPa). La préparation des échantillons est une autre question explorée, puisque les densités les plus faibles possibles de l’analogue du régolithe sont utilisées en cherchant à se rapprocher le plus possible des conditions du matériau sur Mars. Le travail de thèse a été développé dans le cadre d'une cotutelle entre l'Université des Andes et l'École des Ponts ParisTech. Les travaux expérimentaux ont été menés dans les installations des deux institutions de recherche et ont été rendus possibles grâce à l'expertise du groupe de recherche et de l'équipe technique affiliée à chaque université et ses laboratoires. Ce document contient une synthèse des points clés de chacun de ces travaux. Certaines collaborations avec la doctorante Maria Juliana Chaparro ont également permis d'évaluer les propriétés dynamiques du matériau analogue du régolithe choisi
Les aptamères, de nouveaux outils pour l'étude et la détection d'Anaplasma phagocytophilum, une bactérie zoonotique intracellulaire stricte
No full textAnaplasma phagocytophilum is a strict intracellular, zoonotic bacterium, transmitted by ticks of the Ixodes genus. This bacterium is responsible for granulocytic anaplasmosis in human and cattle and infects other mammals, such as wild ruminants and other susceptible domestic species. Many unanswered scientific questions remain, particularly regarding strain variability, epidemiological cycles and mechanisms of host-pathogen interaction. These gaps of knowledge are due to the difficulty to isolate and cultivate A. phagocytophilum, because of the few permissive cells available and the lack of specific tools, in particular monoclonal antibodies. Aptamers are oligonucleotides able to bind with high affinity and specificity to a wide range of targets. These innovative tools are a good alternative to monoclonal antibodies and powerful tools in infectiology (purification, detection or therapeutics tools…). The aim of my thesis was therefore to apply the aptamer technology to the study of A. phagocytophilum, using two approaches. The first approach was designed to select aptamers against A. phagocytophilum or molecules expressed during infection, using the SELEX (Systematic evolution of ligand by exponential enrichment) method. After selection, three aptamers showed a high affinity for HL-60 cells infected with the human American NY18 strain. They were able to recognize proteins that were expressed at different time points during infection. This approach is a first step in the identification of potential new molecules for diagnostic/therapeutic or research. The second approach was to select aptamers against Asp14, a surface protein of A. phagocytophilum. The selection was performed against the recombinant protein using a robotic platform. Eight aptamers specific to the recombinant Asp14 protein were obtained. Six of them recognized their target in a suspension enriched with bacteria. This second approach is a first step to obtain aptamers against infectious forms of A. phagocytophilum and to develop a method to capture bacteria from field samples. My work provides a comparison of these two approaches, applied to the same study model, A. phagocytophilum. It paves the way for the development of aptamers against other strict intracellular pathogenic bacteria, particularly those transmitted by arthropods, and for research that is part of the long-term One Health approach (reducing the use of antibiotics and/or acaricides).Anaplasma phagocytophilum est une bactérie zoonotique intracellulaire stricte et transmise par les tiques du genre Ixodes. Elle est l'agent de l'anaplasmose granulocytaire humaine et bovine et infecte également d'autres mammifères, comme les rongeurs ou les ruminants sauvages, ainsi que d'autres espèces domestiques sensibles. De nombreuses questions de recherche persistent, concernant la variabilité des souches, les cycles épidémiologiques et les hôtes réservoirs des souches infectant les humains et les animaux domestiques. En outre, les mécanismes impliqués dans les interactions avec les hôtes vertébrés/invertébrés restent largement à explorer. Ces lacunes résultent de la difficulté à isoler et cultiver A. phagocytophilum, du fait du manque de cellules permissives au laboratoire et d'outils spécifiques susceptibles de permettre son étude, notamment les anticorps monoclonaux. Les aptamères sont des oligonucléotides d'ADN ou d'ARN simple brin dont la structure tridimensionnelle leur permet d'interagir spécifiquement avec une molécule cible. Ils constituent une bonne alternative aux anticorps monoclonaux et sont de puissants outils en infectiologie (outils de purification, détection, thérapeutique…). L'objectif de ma thèse était donc de transposer la technologie des aptamères à l'étude d'A. phagocytophilum. Deux approches ont été développées. La première a consisté à sélectionner des aptamères contre A. phagocytophilum ou des molécules exprimées au cours de l'infection, par la méthode d'enrichissement par contact avec la cible, appelée SELEX. Trois aptamères ont présenté une forte affinité vis à vis des cellules HL- 60 infectées par la souche humaine américaine NY18. Ils sont capables de reconnaitre des protéines exprimées à différents temps de l'infection. Cette approche est une première étape dans l'identification potentielle de nouvelles molécules d'intérêt en diagnostic/thérapeutique et en recherche. La seconde approche visait à sélectionner des aptamères contre la protéine de surface d'A. phagocytophilum, Asp14. Le SELEX a été effectué sur la protéine recombinante, via une plateforme robotisée. Huit aptamères spécifiques de la protéine Asp14 recombinante ont été obtenus, dont six reconnaissent leur cible dans une suspension enrichie en bactéries. Cette approche est notamment une première étape pour obtenir des aptamères contre les formes infectieuses d'A. phagocytophilum et pour développer une méthode de capture de la bactérie au sein de prélèvements. Mes travaux ont permis de confronter deux approches de sélection différentes, appliquées à un même modèle d'étude, A. phagocytophilum. Ils ouvrent la voie au développement d'aptamères contre d'autres bactéries pathogènes intracellulaires strictes, notamment vectorisées par les arthropodes, et à des pistes de recherche qui s'intègrent sur le long terme dans la démarche One Health (contribution à la lutte contre l'antibiorésistance, réduction de l'utilisation d'acaricides)
Approche biomécanique pour quantifier l’accessibilité en fauteuil roulant manuel
No full textFor people who have lost the ability to walk and can use a manual wheelchair (MWC), the MWC is a way to promote their autonomy, their self-esteem, and access to community life. Accessibility to people with disabilities is a major issue, and in France, according to the law n°2005-102 of February 11, 2005, all public spaces must be accessible to all, however, if the accessibility of an establishment is guaranteed, the necessary path to get there is generally not guaranteed. This thesis is part of a project of the French National Research Agency which aims at proposing useful tools to suggest accessible itineraries to MWC users, in particular a biomechanical cost of locomotion in MWC in different situations representative of the urban environment.The objective of this thesis was to develop customizable musculoskeletal models of the MWC user, and to investigate the key parameters characterizing the physical difficulty of a situation, but only very few studies in the literature are interested in the comparison of the biomechanics of MWC locomotion in different situations. To reach these ends, personal contributions are presented in three chapters.First, work on the processing of motion capture data is presented, including a method for compensating for soft tissue artifacts at the shoulder. Then, the manuscript focuses on the definition of a musculoskeletal model from an osteoarticular chain adapted from the literature and a muscle chain defined by a systematic muscle path generation method. Finally, an investigation of key biomechanical quantities is proposed in six different environmental situations. The key biomechanical quantities investigated were both postural, but also reflected the mechanical solicitations of the upper limbs. A classification of the environmental physical difficulty according to five criteria is then defined, and future studies will have to focus on the aggregation of these five criteria into a single biomechanical cost index. This biomechanical cost index of a trip could then be used for the final objective of the project: to be able to suggest a route to MWC users by comparing the biomechanical costs of the different available routes.Pour les personnes n'ayant plus la capacité de marcher et qui peuvent utiliser un fauteuil roulant manuel (FRM), le FRM est un moyen de favoriser leur autonomie, leur estime de soi, ainsi que l’accès à la vie en communauté. L’accessibilité aux personnes en situation de handicap est un enjeu majeur, et en France, d’après la loi n°2005-102 du 11 Février 2005, tous les espaces publics doivent être accessible à tous, cependant, si l’accessibilité d’un établissement est garantie, le trajet nécessaire pour s’y rendre ne l’est en général pas. Cette thèse s’inscrit dans un projet de l’Agence Nationale de la Recherche qui vise à proposer des outils utiles à la suggestion d’itinéraires accessibles aux utilisateurs de FRM, notamment un coût biomécanique de la locomotion en FRM dans différentes situations représentatives du milieu urbain.Cette thèse avait pour objectif, au sein de ce vaste projet, de développer des modèles musculo-squelettiques personnalisables de l’utilisateur en FRM, et d’investiguer les paramètres clefs caractérisant la difficulté physique d’une situation, mais très peu d’études de la littérature s’intéressent à la comparaison de la biomécanique de la locomotion en FRM dans différentes situations. Pour arriver à ces fins sont présentées en trois chapitres les contributions personnelles.D’abord sont présentés les travaux sur le traitement des données de capture du mouvement, notamment une méthode de compensation des artefacts de tissus mous à l’épaule. Ensuite, le manuscrit s’attarde sur la définition d’un modèle musculo-squelettique à partir d’une chaîne ostéo-articulaire adaptée de la littérature et d’une chaîne musculaire définie par une méthode de génération systématique de chemins musculaires. Enfin, une investigation de grandeurs biomécaniques clefs est proposée dans six différentes situations environnementales. Les grandeurs biomécaniques clefs investiguées étaient à la fois cinématiques, mais reflétaient également les sollicitations mécaniques des membres supérieurs. Un classement de la difficulté physique environnementale selon cinq critères est alors définit, et de prochaines études devront s’intéresser à l’agrégation de ces cinq critères en un unique indice de coût biomécanique. Cet indice de coût biomécanique d’un trajet pourra alors servir pour l’objectif final du projet : pouvoir suggérer un itinéraire aux utilisateurs de FRM en comparant les coûts biomécaniques des différents trajets disponibles
Algorithmes d'apprentissage pour la localisation visuelle de véhicules en temps réel
No full textAutonomous driving is expected to revolutionize tomorrow’s transportation technologies. Positioning systems are a key component of self-driving vehicles in order to ensure a safe, smooth and reliable navigation. The precise ego position of a vehicle inside of its environment can be recovered by a wide range of sensors and algorithms, image-based localization is more acurate than GNSS and only needs camera sensors. This thesis aims to solve the map-based relocalization problem with machine learning methods. We build on recent advances on the deep learning area to develop algorithms which learn to relocalize from a large collection of images gathered in the area of interest. First, we study the capability of convolutional neural networks to be used as a vehicle localization system in autonomous driving scenarios. Then, we investigated in different ways the connection between implicit scene representations and visual localization algorithms. By their ability to represent continuously a complex scene in a neural network, these implicit representations can be used to generate photo-realistic synthetic data used to train better algorithms, but also to represent the map of the environment. We show that relevant information captured on roads of several kilometers can be encoded in few megabytes in order to achieve real-time vehicle localization, but also that local features can be learned, stored and rendered by a Neural Field to achieve centimeter-level camera pose estimation in a dense features matching pipeline. Overall, this work aims to rehabilitate direct learning-based formulations, which are considered to be less precise than classical features-based methods. In the end, the effectiveness of data-driven methods depends on the data and then can be beneficial in some situations, such as autonomous driving.La conduite autonome est appelée à révolutionner les transports de demain. Les systèmes de localisation sont un élément clé des véhicules autonomes afin d’assurer une navigation sûre, fluide et fiable. La position d’un véhicule dans son environnement peut être déterminée à l’aide de différents capteurs, utiliser l’image permet de se localiser plus précisement qu’un GPS et requiert uniquement une caméra. Cette thèse vise à résoudre le problème de la relocalisation à l’aide de méthodes d’apprentissage automatique. Nous nous appuyons sur les avancées récentes dans le domaine de l’apprentissage profond pour développer des algorithmes qui apprennent à localiser la position de la caméra à partir d’une grande base de données d’images recueillies dans la zone d’intérêt. Tout d’abord, nous étudions la capacité des réseaux de neurones convolutionnels à être utilisées comme système de localisation de véhicules dans des scénarios de conduite autonome. Dans un second temps, nous avons exploré le lien entre les représentations implicites de scènes et les algorithmes de localisation visuelle. Ces représentations implicites génerent des images synthétiques utilisées pour entraîner de meilleurs algorithmes, mais aussi pour représenter la carte de l’environnement. Nous montrons que les informations pertinentes capturées sur des routes de plusieurs kilomètres peuvent être encodées en quelques mégabytes afin de réaliser la localisation de véhicules en temps réel. De plus, nous remplaçons les modèles 3D traditionnels par un Neural Radiance Field (NeRF) dans les méthodes de "features matching". Globalement, ce travail réhabilite les méthodes de regression, qui sont considérées comme moins précises que les méthodes classiques basées sur les features. Au final, l’efficacité des méthodes d’apprentissages dépend des données et peut donc être bénéfique dans certaines situations, comme la conduite autonome
Contrôle de l'émission spontanée par une assemblée d'émetteurs thermalisés en cavité : étude théorique et expérimentale
No full textThe goal of this thesis is to introduce a model and new techniques to control light emission by an ensemble of fluorophores in the visible spectral range. Miniaturizing light sources in order to reduce their volume and production cost is a challenge. It would also enable an easier integration of light sources in complex systems. It is now well understood that the emitters environment can modify drastically the emission process. In this manuscript, we explore several ways to shape the electromagnetic environment of the emitters, in order to obtain a directive emission of light from a miniaturized device. On the one hand, we study the spatial coherence of light, necessary to obtain directivity. We derive a general absorption-correlation relation which enables to obtain the spatial correlation of the electromagnetic fields thanks to an absorption computation. We then exploit this formula to analyze the origin of the spatial coherence of light emitted by an ensemble of dye molecules deposited on top of a silver layer. It brings out the role of the surface waves in the building of spatial coherence. On the other hand, we use a local form of Kirchhoff law to derive the emission by fluorophores in a resonant environment. It enables to study light emitted by a complex sample composed of two emitters' species on top of a silver layer. We highlight an energy transfer between these two emitters' families. Finally, we make the most of these results to design, fabricate and characterize directional photoluminescent sources, made of nanoplatelets on top of a metallic metasurface. The agreement between experiment and theory proves the impact of the local Kirchhoff's law in the design of new light sources.Cette thèse a pour but de développer un modèle et des techniques de contrôle de l'émission de lumière par une assemblée de fluorophores dans le domaine visible. Miniaturiser les sources de lumière est un enjeu majeur pour réduire l'encombrement et donc les coûts de production. Cela permet également d'intégrer plus facilement ces sources à d'autres systèmes. Il est maintenant bien compris que l'environnement des émetteurs permet de modifier les propriétés de la lumière émise. Dans cette thèse, nous explorons les moyens de façonner cet environnement électromagnétique afin d'obtenir une source miniaturisée dont l'émission est directive. La première partie est consacrée à l'étude de la cohérence spatiale, qui est nécessaire à l'obtention de directivité. Nous établissons une relation générale absorption-cohérence permettant de calculer la corrélation spatiale des champs à l'aide d'un calcul d'absorption. Cela nous permet d'étudier les propriétés d'émission d'un système composé de molécules de colorant déposées sur de l'argent et de mettre en évidence le rôle des ondes de surface dans l'apparition de cohérence spatiale. Dans un second temps, nous montrons que la photoluminescence en présence de l'environnement résonant peut être calculée à l'aide de la loi de Kirchhoff locale. Grâce à cette méthode, nous modélisons la photoluminescence émise par un système complexe composé de deux types d'émetteurs fluorescents déposés sur un film d'argent. Nous mettons ainsi en évidence un transfert d'énergie entre ces deux familles d'émetteurs. Enfin, nous tirons parti des résultats précédents pour concevoir numériquement des sources photoluminescentes directives, composées de nanoplaquettes déposées sur une métasurface métallique jouant le rôle de cavité résonante. Ces sources sont fabriquées en salle blanche et caractérisées expérimentalement. L'accord des résultats expérimentaux avec la théorie démontre la portée de la loi de Kirchhoff locale dans la conception de sources de lumière innovantes
Définition, conception et évaluation d'un système d'information spatial pour le pastoralisme en zones périméditerranéennes françaises
No full textPastoral farming is a very widespread grazing practice in the French peri-Mediterranean regions, consistent with societal expectations and a provider of multiple services. Its sustainability depends in particular on its ability to effectively and sustainably develop rangeland vegetation. The grazing and spatial behavior of the herds is a key element to take into account in order to adjust the grazing management; today, it can be documented and analyzed through digital tools. The application of precision livestock farming to pastoral farming is constrained by the heterogeneity of environments and the diversity of agro-sylvo-pastoral systems. However, a diversity of data is available today to document the functioning of the pastoral ecosystem. The integration and combination of heterogeneous data within an information system (IS) could allow for an in-depth analysis of the behavior of herds on pasture. To achieve this, the IS must be able to handle the heterogeneity of the data and provide analysis functionalities to produce indicators to assist in the management of grazing on rangelands.The main objective of this thesis was to propose and test technical and methodological approaches to define an IS that meets these considerations. To achieve this objective, our work was carried out in three steps: i) identification of the needs of the breeders and translation into technical and functional characteristics of the IS; ii) definition of spatial data quality criteria: accuracy, representation scale and semantics, temporal granularity; iii) exploration of different spatial data analysis approaches, and in particular frequent sequence and point pattern analysis. At the end of this thesis, we select the Apache Hadoop data lake as the IS for its numerous advantages in managing heterogeneous data and integrating analysis and diffusion modules adapted to the context. We propose to manage distributed storage and parallelized processing via the HDFS (Hadoop Distributed File System). The spatial data quality criteria we use are: i) 10m spatial resolution to describe the heterogeneity of the environment, ii) a sufficiently high precision of the land use classes in order to better characterize the classes of pastoral interest, and iii) an acquisition frequency of 5 minutes for the herd location data in order to facilitate the extraction of knowledge at different temporal scales (hourly, daily, grazing phase). The pre-processing carried out did not improve the accuracy of grassland, moorland and woodland identification compared to the OSO database; we suggest instead to mobilize complementary data such as NDVI and OSAVI to describe the state and dynamics of vegetation. Regarding the GPS tracks of the herds, point pattern analysis methods were able to produce indicators of the explored area, dispersion and presence density within the park. Unfortunately, the experimental conditions and in particular the size of the parks (about 1ha), did not favor a variability of environmental factors and thus did not allow characterizing their influence on herd behavior.This thesis brings an operational and scientific contribution for pastoral farming in French Mediterranean and mountainous areas. The operational contribution concerns the definition and the design of an IS in adequacy with the needs of the pastoral farmers and the challenges related to the heterogeneous data, which can be used as reference for to support grazing management on rangelands. The scientific contribution concerns the definition of analysis methods to produce indicators allowing to describe the spatial and temporal use of rangelands by herds and to hierarchize the influence of environmental factors on they grazing and spatial behaviour.Le pastoralisme est un mode d'élevage très répandu en régions péri-méditerranéennes françaises, cohérent avec les attentes sociétales et pourvoyeur de multiples services. Sa pérennité dépend notamment de sa capacité à valoriser efficacement et durablement les végétations de parcours. Le comportement alimentaire et spatial des troupeaux est un élément clé à prendre en compte pour ajuster la conduite du pâturage ; aujourd'hui, il peut être documenté et analysé à travers des outils numériques. L'application de l'élevage de précision au pastoralisme est contrainte par l'hétérogénéité des milieux et la diversité des systèmes agro-sylvo-pastoraux. Cependant, on dispose aujourd'hui d'une diversité de données pour documenter le fonctionnement de l'écosystème pastoral. L'intégration et la combinaison de données hétérogènes au sein d'un système d'information (SI) pourrait permettre de proposer une analyse approfondie du comportement des troupeaux sur parcours. Pour y parvenir, ce SI doit être prendre en charge l'hétérogénéité des données et fournir les fonctionnalités d'analyse en vue de produire des indicateurs d'aide à la conduite du pâturage sur parcours.Le principal objectif de cette thèse était de proposer et tester des approches techniques et méthodologiques permettant de définir un SI qui répond à ces considérations. Pour atteindre cet objectif, nos travaux ont été réalisés en trois étapes : i) identification des besoins des éleveurs et traduction en caractéristiques techniques et fonctionnelles du SI ; ii) définition des critères de qualité des données spatiales : précision, échelle de représentation et sémantique, granularité temporelle ; iii) exploration de différentes approches d'analyse de données spatiales, et en particulier analyse de séquences fréquentes et extraction de motifs de points. A l'issue de cette thèse, nous retenons le lac de données Hadoop d'Apache comme SI pour ses nombreux avantages pour la gestion des données hétérogènes et l'intégration de modules d'analyse et de diffusion d'information. Nous proposons de gérer le stockage distribué et le traitement parallélisé via le système de fichiers HDFS (Hadoop Distributed File System). Les critères de qualité des données spatiales que nous retenons sont : i) 10m de résolution spatiale pour bien décrire l'hétérogénéité du milieu, ii) une précision suffisamment élevé des classes d'occupation des sols en vue de mieux caractériser les classes d'intérêt pastoral, et iii) une fréquence d'acquisition de 5 minutes pour les données de localisation des troupeaux afin de faciliter l'extraction de connaissances à différentes échelles temporelles. Les prétraitements effectués n'ont pas permis d'améliorer la précision des surfaces de pelouse, lande et bois pâturés par rapport à la base OSO ; nous suggérons de mobiliser des données complémentaires telles que le NDVI et l'OSAVI pour décrire l'état et la dynamique des végétations. A partir des traces GPS des troupeaux, l'analyse de motifs de points a permis de produire des indicateurs d'étendue explorée, de dispersion et de densité de présence au sein du parc. Malheureusement, les conditions expérimentales et notamment la taille des parcs (environ 1ha), n'ont pas favorisé une variabilité des facteurs du milieu et ainsi n'ont pas permis de caractériser leur influence sur le comportement des troupeaux.Cette thèse apporte deux principales contributions : opérationnelle et scientifique. La contribution opérationnelle concerne la définition et la conception d'un SI en adéquation avec les besoins des éleveurs pastoraux et les enjeux liés aux données hétérogènes, et pouvant accompagner la conduite du pâturage sur parcours. La contribution scientifique concerne la définition des méthodes d'analyse permettant de produire des indicateurs pouvant traduire l'utilisation spatiale et temporelle des milieux pastoraux variés par les troupeaux et de hiérarchiser l'influence des facteurs du milieu sur le comportement des troupeaux
Détection des ruptures de la chaîne du froid par une approche d'apprentissage automatique
No full textThe cold chain is essential to ensure food safety and avoid food waste. Wireless sensors are increasingly used to monitor the air temperature through the cold chain, however, the exploitation of these measurements is still limited. This thesis explores how machine learning can be used to predict the temperature of different food products types from the measured air temperature in a pallet and detect cold chain breaks. We introduced, firstly, a definition of a cold chain break based on two main product categories: products obligatorily preserved at a regulated temperature such as meat and fish, and products for which a temperature is recommended such as fruits and vegetables. The cold chain break leads to food poisoning for the first product category and organoleptic quality degradation for the second one.For temperature-regulated products, it is crucial to predict the product temperature to ensure that it does not exceed the regulatory temperature. Although several studies demonstrated the effectiveness of neural networks for the prediction, none has compared the synthetic and experimental data to train them. In this thesis, we proposed to compare these two types of data in order to provide guidelines for the development of neural networks. In practice, the products and packaging are diverse; experiments for each application are impossible due to the complexity of implementation. By comparing synthetic and experimental data, we were able to determine best practices for developing neural networks to predict product temperature and maintain cold chain. For temperature-regulated products, once the cold chain break is detected, they are no more consumable and must be eliminated. For temperature-recommended products, we compared three different approaches to detect cold chain breaks and implement corrective actions: a) method based on a temperature threshold, b) method based on a classifier which determines whether the products will be delivered with the expected qualities, and c) method also based on a classifier but which integrates the cost of the corrective measure in the decision-making process. The performances of the three methods are discussed and prospects for improvement are proposed.La chaîne du froid est indispensable pour assurer la sécurité sanitaire et éviter le gaspillage alimentaire. Pour suivre l'évolution de la température de l'air à travers la chaîne du froid, les capteurs sans fil sont de plus en plus utilisés, mais l'exploitation de ces mesures est encore limitée. Cette thèse explore comment l'apprentissage automatique peut être utilisé pour prédire la température de différents types de produits alimentaires à partir d'une mesure de la température de l'air dans une palette et détecter les ruptures de chaîne du froid. Nous avons d'abord introduit une définition de rupture de la chaîne du froid en fonction de deux grandes catégories de produits : les produits qui doivent être conservés à une température réglementée tels que les viandes et les poissons et les produits pour lesquels une température de conservation est recommandée tels que les fruits et légumes. Pour les premiers, les ruptures de la chaîne du froid peuvent entraîner une intoxication alimentaire et pour les seconds, elles peuvent dégrader les qualités organoleptiques.Pour les produits à température réglementée, il est crucial de prédire la température des produits afin d'assurer qu'ils ne dépassent pas le seuil réglementaire. Bien que plusieurs études aient déjà démontré l'efficacité des réseaux de neurones pour la prédiction de la température des produits, aucune n'a comparé les données synthétiques et expérimentales pour les entraîner. Dans cette thèse, nous avons proposé de comparer ces deux types de données afin de fournir des directives précises pour le développement de réseaux de neurones. En pratique, les produits et les emballages sont très variés, il est donc impossible de faire des expériences à chaque application en raison de la lourdeur de la mise en œuvre.En comparant les données synthétiques et expérimentales, nous avons pu déterminer les meilleures lignes directrices pour développer des réseaux de neurones pour prédire la température des produits et maintenir la chaîne du froid.Pour les produits dont la température est réglementaire, une fois la rupture détectée, ils ne sont plus consommables et doivent être éliminés. Pour les produits dont la température recommandée, nous avons comparé trois approches différentes pour détecter les ruptures et mettre en place une action correctrice : a) méthode basée sur un seuil de température, b) méthode basée sur un classifieur qui détermine si le produit sera livré avec les qualités attendues et c) méthode également basée un classifieur mais qui intègre le coût de l'action correctrice dans la prise de décision. Les performances des trois méthodes sont discutées et des perspectives d'amélioration sont proposées