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Retrospective on the first passive brain-computer interface competition on cross-session workload estimation
Full text linkAs is the case in several research domains, data sharing is still scarce in the field of Brain-Computer Interfaces (BCI), and particularly in that of passive BCIs— i.e ., systems that enable implicit interaction or task adaptation based on a user's mental state(s) estimated from brain measures. Moreover, research in this field is currently hindered by a major challenge, which is tackling brain signal variability such as cross-session variability. Hence, with a view to develop good research practices in this field and to enable the whole community to join forces in working on cross-session estimation, we created the first passive brain-computer interface competition on cross-session workload estimation. This competition was part of the 3rd International Neuroergonomics conference. The data were electroencephalographic recordings acquired from 15 volunteers (6 females; average 25 y.o.) who performed 3 sessions—separated by 7 days—of the Multi-Attribute Task Battery-II (MATB-II) with 3 levels of difficulty per session (pseudo-randomized order). The data -training and testing sets—were made publicly available on Zenodo along with Matlab and Python toy code ( https://doi.org/10.5281/zenodo.5055046 ). To this day, the database was downloaded more than 900 times (unique downloads of all version on the 10th of December 2021: 911). Eleven teams from 3 continents (31 participants) submitted their work. The best achieving processing pipelines included a Riemannian geometry-based method. Although better than the adjusted chance level (38% with an α at 0.05 for a 3-class classification problem), the results still remained under 60% of accuracy. These results clearly underline the real challenge that is cross-session estimation. Moreover, they confirmed once more the robustness and effectiveness of Riemannian methods for BCI. On the contrary, chance level results were obtained by one third of the methods—4 teams- based on Deep Learning. These methods have not demonstrated superior results in this contest compared to traditional methods, which may be due to severe overfitting. Yet this competition is the first step toward a joint effort to tackle BCI variability and to promote good research practices including reproducibility
Energy analysis and discretization of the time-domain equivalent fluid model for wave propagation in rigid porous media
Full text linkThe equivalent fluid model (EFM) describes the acoustic properties of rigid porous media by defining the intra-pore fluid phase as a fluid with an effective density and an effective compressibility. Their definitions are based on the dynamic tortuosity α and the normalized dynamic compressibility β. These physical quantities are complex-valued functions depending on the frequency, and
can be irrational as in the Johnson-Champoux-Allard-Pride-Lafarge (JCAPL) model. Hence, the system of equations derived from the EFM can involve fractional derivatives in the time domain. This paper presents an approach to formulate the EFM equations described by the JCAPL model in the time domain, leading to an augmented system for which a proof of stability is given.
From the EFM, a model for numerical simulation is built with α and β approximated using a multipole model. Sufficient stability conditions are then provided for the multipole-based EFM. Lastly, a numerical analysis is carried out
in order to illustrate the theoretical results and a simulation of the impedance
tube experiment is presented
Hierarchy in the cockpit: How captains influence the decision-making of young and inexperienced first officers
Full text linkThe present study aimed at investigating the extent to which Captains’ risky decisions influence young and inexperienced First Officers. Participants (i.e., student pilots who had almost completed their training) had to decide, alone or in a crew configuration, whether to continue or abort the landing according to four risk levels (safe, moderately risky, highly risky and extremely risky). In the lone pilot configuration, they made their decisions by themselves, while in the crew configuration they were paired with a Captain who acted as a risk taker and almost always chose to land (except in extremely risky situations). The Captain’s mere presence led participants to increase their risk-taking in moderately risky situations (before they even knew the Captain’s decision), supposedly in an attempt to look competent and impress their superior. In reaction to the Captain’s decision to land, participants also increased their risk-taking in highly risky situations. This tendency was positively correlated to the perceived authority of the Captain. Surprisingly, some participants sometimes insisted on continuing the landing in extremely risky situations after the Captain asked for a go-around, suggesting that some pilot students may greatly overestimate their piloting skills (i.e., Dunning Kruger effect). Some applications of the present experimental protocol as training for student pilots are proposed
Continuous Bamboo Fibers/Fire-Retardant Polyamide 11: Dynamic Mechanical Behavior of the Biobased Composite
Full text linkA biobased composite was generated from bamboo fibers (BF) and a polyamide 11 (PA11) matrix. In order to fulfill security requirements, a PA11 already containing a flame retardant (FR) was chosen: This matrix is referred as PA11-FR. In this work, the effects of flame retardant (melamine cyanurate) on the composite properties were considered. In the calorimetric study, the glass transition and melting temperatures of PA11-FR were the same as those of PA11. The melamine cyanurate (MC) had no influence on these parameters. Thermogravimetric analysis revealed that PA11-FR was less stable than PA11. The presence of MC facilitated thermal decomposition regardless of the analysis atmosphere used. It is important to note that the presence of FR did not influence processing conditions (especially the viscosity parameter) for the biosourced composite. Continuous BF-reinforced PA 11-FR composites, single ply, with 60% of fibers were processed and analyzed using dynamic mechanical analysis. In shear mode, comparative data recorded for BF/PA11-FR composite and the PA11-FR matrix demonstrated that the shear glassy modulus was significantly improved: multiplied by a factor of 1.6 due to the presence of fibers. This result reflected hydrogen bonding between reinforcing fibers and the matrix, resulting in a significant transfer of stress. In tensile mode, the conservative modulus of BF/PA11-FR reached E’ = 8.91 GPa. Upon BF introduction, the matrix tensile modulus was multiplied by 5.7. It can be compared with values of a single bamboo fiber recorded under the same experimental conditions: 31.58 GPa. The difference is partly explained by the elementary fibers’ lack of alignment in the composit
Clock and Power-Induced Bias Correction for UWB Time-of-Flight Measurements
Full text linkUltra-Wide Band (UWB) communication systems can be used to design low cost, power efficient and precise navigation systems for mobile robots, by measuring the Time of Flight (ToF) of messages traveling between on-board UWB transceivers to infer their locations. Theoretically, decimeter level positioning accuracy or better should be achievable, at least in benign propagation environments where Line-of-Sight (LoS) between the transceivers can be maintained. Yet, in practice, even in such favorable conditions, one often observes significant systematic errors (bias) in the ToF measurements, depending for example on the hardware configuration and relative poses between robots. This letter proposes a ToF error model that includes a standard transceiver clock offset term and an additional term that varies with the received signal power (RxP). We show experimentally that, after fine correction of the clock offset term using clock skew measurements available on modern UWB hardware, much of the remaining pose dependent error in LoS measurements can be captured by the (appropriately defined) RxP-dependent term. This leads us to propose a simple bias compensation scheme that only requires on-board measurements (clock skew and RxP) to remove most of the observed bias in LoS ToF measurements and reliably achieve cm-level ranging accuracy. Because the calibrated ToF bias model does not depend on any extrinsic information such as receiver distances or poses, it can be applied before any additional error correction scheme that requires more information about the robots and their environment
Dimensionnement optimal d’un système hybride direct pile à combustible PEM Haute Température (PEM-HT) - batterie et impact d’un tel système sur les interactions avec le convertisseur de puissance associé
Full text linkCette thèse se déroule au sein du Laboratoire Plasma et Conversion d’énergie (LAPLACE), dans le Groupe Génie Electrique et Systémique (GENESYS). Ce groupe de recherche travaille sur la conception de systèmes énergétiques, et notamment les aspects de dimensionnement, de gestion d’énergie et de modélisation de systèmes hétérogènes couplés. Le groupe GENESYS travaille notamment sur les piles à combustible, en étudiant le potentiel de cette technologie au sein de systèmes de production d’électricité.Le projet « Pile à combustible Pour Applications Aéronautiques (PIPAA) » est porté par un des partenaires industriels du LAPLACE, Safran Power Units, basé à Toulouse. Ce projet vise à concevoir un système de production d'électricité utilisant une pile à combustible hybridée à des stockages électrochimiques (batterie, supercondensateurs) pour des applications aéronautiques.Dans l’optique de simplifier le système hybride, la thèse a pour objet l'étude de l’hybridation directe d’une pile à combustible type PEM-HT (Pile à membranes échangeuses de protons haute température) avec une batterie. Cette hybridation directe vise d’une part à protéger la pile contre les variations rapides de courant demandées par l’application et d’autre part à la protéger contre les harmoniques de courant générés intrinsèquement par l’électronique de puissance associée en filtrant l’ondulation haute fréquence du courant. Un modèle dynamique du système a été développé, composé de modèles de pile et de batterie identifiés à partir de caractérisations sur des composants typiques. Une caractérisation originale du modèle dynamique de la pile a été menée à partir de sollicitations quasi-statiques réalisées à débits régulés et à débits fixes, et de balayages dynamiques en courant réalisés à débits fixes. Un dimensionnement d’un système hybride direct pile – batterie est proposé à partir d’un modèle au final simplifié du système. Celui-ci, validé par comparaison avec un modèle dynamique plutôt très complet, permet la résolution analytique du système et la comparaison de différentes technologies de batterie – lithium-ion et NiCd – pour une telle hybridation. Par ailleurs, un essai d’endurance permettant d’étudier l’impact d’harmoniques de courant à haute fréquence (HF) est actuellement mené sur 4 monocellules PEM-HT sur un banc développé au cours de ces travaux de thèse. L’analyse la plus poussée possible de ces essais sera proposée afin de démontrer l’intérêt de filtrer ces harmoniques HF par une hybridation directe
Integrated Long period waveguide gratings for refractometric and gas sensing applications
Full text linkDepuis plus d'une vingtaine d'année, la photonique intégrée est devenu un domaine de recherche très actif pour le développement de capteurs intégrés à hautes performances. Les capteurs chimiques intégrés, et en particulier ceux dédiés à la détection de gaz, font inexorablement l'objet d'une investigation poussée pour des raisons de santé publique ainsi que pour un grand nombre d'applications industrielles. Un problème majeur lié à la grande diversité des systèmes de capteurs proposés par la communauté scientifique survient toutefois: comment analyser les différentes architectures de façon précise et ainsi pouvoir les comparer? Dans un premier temps, cette thèse propose un modèle de classification pour les capteurs chimiques optiques, suivi d'une revue des architectures de photonique intégrée dédiées à la détection de gaz. Ensuite sont détaillés les modèles théoriques, la conception et le travail expérimental qui ont été effectués dans cette thèse pour la réalisation de capteurs réfractométriques intégrés sur silicium. En particulier, un type spécifique de structure réfractométrique semble être mis en avant par ce travail d'analyse de l'état de l'art, et a par conséquent été développé de façon plus approfondi; il s'agit des réseaux intégrés à longue période. Un modèle détaillé du mécanisme de couplage optique mis en jeux par les réseaux à longue période est par la suite développé. Ce modèle est basé sur la théorie des modes couplés pour laquelle une approche perturbatoire est employée pour analyser les propriétés réfractométriques de ces structures. En utilisant le modèle proposé, plusieurs versions de réseaux à longue période intégrés sont conçus, simulés, puis optimisés. C'est en contrôlant les superpositions de champs optiques au niveau des guides d'ondes ainsi que les propriétés dispersives des modes optiques qu'il est possible d'obtenir de hautes sensibilités de détection ainsi que des réponses spectrales adéquates. Ces réseaux intégrés à longue période ont ensuite été fabriqués à partir d'un procédé technologique de nitrure de silicium spécialement développé dans la salle blanche du LAAS. Puis ils ont été testés sur une station de charactérisation optique conçue dans cette thèse. Des sensibilités réfractométriques aussi hautes que 11,500 nm/RIU ont été expérimentalement obtenues et sont stables sur une large bande spectrale de 100 nm centrée sur 1550 nm, le tout avec une faible diaphonie en température de 0.15 nm/°C. De plus, en s'appuyant sur le modèle proposé, d'autres versions de réseaux à longue période intégrés démontrent via simulation la possibilité d'atteindre des sensibilités d'au moins 300,000 nm/RIU, sensiblités pour lesquelles les limites liées à la fabrications et à l'expérimentation sont abordées. Finalement, une structure de réseaux intégrés à longue période est employée pour la détection de CO2 en utilisant un film en polymère poreux: le PolyHexaMethylene Biguanide. En plus du très fort potentiel des réseaux intégrés à longue période qui a été démontré dans cette thèse avec les modèles proposés et à travers les résultats obtenus, nous pensons également que le travail détaillé ici pourrait également servir à la réalisation de capteurs encore plus performants, et potentiellement permettre l'émergence de nouvelles applications
Bioraffinage des drêches de tomates : procédés d'obtention de molécules d'intérêts biologiques et d'agromatériaux
Full text linkLa mise au point de formulations alternatives plus sûres utilisant des matières premières renouvelables correspond aujourd’hui à une demande sociétale forte, pour une meilleure prise en compte des impacts environnementaux et sanitaires. Dans un contexte de développement durable, il est nécessaire d’identifier de nouveaux gisements de matières premières telles que les drêches de tomates, un coproduit de l’industrie agro-alimentaire constitué de peaux, de fibres et de pépins de tomates. Riches en métabolites secondaires et en biopolymères, leur valorisation par des procédés verts a été mise en oeuvre. Les drêches ont été mises en contact avec des solvants biosourcés sélectionnés pour leur biocompatibilité (éthanol, acétate d’éthyle, mélanges éthanol: eau, mélanges éthanol: acétate d’éthyle et solvants naturels eutectiques profonds) ainsi qu’avec le CO2 à l’état supercritique. Les compositions des extraits ont été analysées par spectrophotométrie et par HPLC-DAD, ce qui a permis de détecter des acides phénoliques, des caroténoïdes, des flavanones, des flavones, des flavanols, des flavonols et des tanins. - Les fractions obtenues avec l’éthanol et avec le mélange éthanol: eau sont particulièrement riches en polyphénols et en flavonoïdes, ce qui leur confère des propriétés anti-oxydantes (70-71% d’inhibition), des activités antidiabétiques (anti -amylase et anti -glucosidase avec IC50 = 5-6 g/mL) ainsi que des propriétés antivirales contre Zika. - La fraction obtenue par le CO2 supercritique, riche notamment en lycopène, conduit également à des propriétés anti-oxydantes élevées (64% d’inhibition) et au meilleur niveau d’activité cytotoxique contre la lignée cancéreuse HCT 116 (64,5% d’inhibition). - Nous avons observé que le prétraitement chimique permet d’enrichir l’extrait « acétate d’éthyle » en caroténoïdes, ce qui est bénéfique pour limiter le processus inflammatoire visˇà vis de l’enzyme 15-lipoxygenase. - Quant au prétraitement enzymatique, il améliore les propriétés anti-oxydantes de cette même fraction et est favorable à l’activité cytotoxique de la fraction éthanolique. - Le fractionnement des molécules polaires et apolaires ne s’est pas avéré favorable aux propriétés thérapeutiques évaluées, ce qui indique l’intérêt de conserver les fractions dans leur intégralité. - Le couplage réalisé entre les étapes d’extraction et de formulation, à l’aide de solvants naturels eutectiques profonds s’inscrit clairement dans une démarche d’écoconception pour la préparation de formulations cosmétiques aux propriétés filmogènes, incluant les différentes molécules bioactives détectées. 3 Enfin, pour la valorisation des biopolymères résiduels, des conditions de thermopressage ont été définies pour la conception d’un matériau biosourcé, sans ajout de liant. L’étude des propriétés mécaniques et l’analyse par GC-MS des composés organiques volatils (COV) émis par le matériau obtenu permettent de définir un champ d’applications. Des matériaux composites thermoplastiques incluant des pourcentages variables de drêches ont également été préparés par fusion à chaud. Ainsi, le travail réalisé montre la faisabilité et l’intérêt d’une bioraffinerie utilisant les drêches de tomates pour l’obtention de plusieurs produits écoconçus
Aircraft fleet models using a bottom-up approach for simulating aviation technological prospective scenarios
Full text linkModeling prospective scenarios for aviation in the context of climate issues is a scientific topic of major interest. For this purpose, the development of models to integrate technological improvements in these scenarios is necessary. This paper focuses on the use of a bottom-up approach to establish aircraft fleet models, in order to integrate them into CAST, an open-source tool for simulating and evaluating prospective scenarios for air transport. These models are based on logistic functions which allow representing the gradual replacement of current aircraft by future aircraft architectures obtained from overall aircraft design. The efficiency improvement of the aircraft fleet can then be assessed. To illustrate the use of the models, some case studies, considering for example turboprop and hydrogen aircraft, are performed for analyzing efficiency scenarios for air transport. Also, the effect of accelerated fleet renewal and earlier introduction of new aircraft architectures is studied
A semi implicit compressible solver for two-phase flows of real fluids
Full text linkThe development of numerical solvers able to simulate compressible two-phase flows is still a great challenge in computational fluid dynamics. The interaction between acoustic waves and interfaces is of major concern for several engineering and biomedical applications, among which atomization in combustion chambers, cavitation problems, underwater explosions and bubble shock interactions. For instance, there are experimental evidences that acoustic waves can have an important effect on the atomization process, and this could have a great impact on combustion. However, usual approaches for DNS of primary atomization are based on incompressible solvers and therefore are not able to capture the propagation of acoustic waves and therefore cannot be used to simulate such phenomena. The numerical problem associated with the simulation of compressible two- phase flows is challenging, mostly because of the huge spatial variations of the speed of sound and the corresponding low Mach number in the liquid phase. In the present work, a numerical solver able to study subsonic compressible two-phase flows is presented. The solver is based on a complete formulation of the Navier-Stokes equations with real fluid equations of state, which are solved with a semi-implicit projection method. It is shown that the solver can handle a large range of compressible subsonic flows, both for a single phase or for two phases, as the flow induced by free convection, a bubble expansion in isothermal or isentropic conditions, and interaction between acoustic waves and liquid-gas interfaces. Eventually, attention will be given to the simulation of a water droplet in air, under the excitation of a stationary acoustic wave. It is also shown that the solver exhibits equivalent performances as an incompressible solver in configurations where compressible effects have no effects