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Effet des additifs de graphène et de cire sur la qualité du perçage de matériaux composites en fibres de carbone
No full textLes polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) sont de plus en plus utilisés pour leur légèreté, robustesse et résistance à la corrosion, notamment dans l’aéronautique et l’automobile. Leur usinage, surtout le perçage, est complexe en raison de leur anisotropie et hétérogénéité, ce qui nécessite un contrôle précis pour garantir des assemblages fiables. Ce processus peut provoquer des défauts mécaniques et thermiques, tout en accélérant l’usure des outils à cause de l’abrasivité des fibres. L’ajout d’additifs dans les composites pourrait améliorer leurs performances, mais leur impact sur l’usinage reste peu étudié.
Cette recherche porte sur la modification de la matrice époxy des composites à fibres de carbone (CFRP) par l’ajout de microparticules d’additifs, principalement du graphène et de la cire, afin d’étudier leur influence sur la température du foret pendant le perçage, ainsi que sur la qualité de surface et les efforts de coupe. Neuf types de plaques ont été fabriqués, comprenant un composite de référence sans additif et huit formulations avec différentes proportions de graphène (0%, 0,25%, 2%) et de cire (0%, 1%, 2%). Les essais de perçage ont été réalisés avec un foret unique à revêtement diamant CVD sous des paramètres de coupe optimaux, permettant d’évaluer l’effet combiné de ces additifs sur les performances d’usinage des CFRP.
Les résultats montrent que l'ajout de graphène et de cire dans les composites CFRP permet de réduire significativement la température de coupe, la force de perçage et la rugosité des trous, améliorant ainsi l'efficacité de l'usinage. Ces additifs diminuent également la délamination, renforçant la cohésion interne et la fiabilité des assemblages
The development of novel cool asphalt pavement structures to alleviate the urban heat island effects
No full textThe urban temperature is usually higher than the suburban temperature due to some human activities and inventions, one of which is asphalt pavement. Asphalt pavement absorbs and stores solar energy during the day and releases it at night, exacerbating a phenomenon named urban heat island (UHI). Two different solutions were proposed in this research to mitigate the effects of UHI. Firstly, the asphalt pavement was coated with chip seals made of some recycled materials to increase the surface reflectivity and reduce heat absorption during the day, cooling the asphalt pavement. The mechanical properties, safety, and durability of these new chip seals were also evaluated for cold and hot weather conditions. Although the heat entering the asphalt pavement can be minimized by reflective pavements, it cannot be zero. Hence, the absorbed heat in the asphalt mixture should be transferred into the layers below to observe a smaller thermal gradient between the asphalt mixture and its surrounding air. As a result, less heat is transferred to the ambient air, mitigating the UHI. For this purpose, the second proposed solution was enhancing the heat transfer at the interface of the asphalt mixture and base course and developing a conductive base course. Therefore, an industrial by-product, steel slag, was utilized to prepare a conductive prime coat and a conductive base course. Overall, the laboratory and field experiments indicated that reducing pavement heat absorption and transferring the absorbed heat into the base course can decrease the asphalt pavement temperature, resulting in less heat release into the ambient air and mitigating the UHI associated with asphalt pavements
Robust trajectory tracking of mobile manipulators based on extended state observer and nonlinear control
No full textThis doctoral thesis proposes and experimentally validates Extended State Observer(ESO) based nonlinear control strategies for real-time trajectory tracking of mobile manipulators (MMs) operating in uncertain and dynamic environments. The developed approaches aim to overcome the limitations of conventional control methods in handling nonlinear couplings, parameter uncertainties, and external disturbances, which significantly affect the stability and tracking precision of mobile manipulators.
Mobile manipulators combine the dexterity of multi-link robotic arms with the mobility of wheeled platforms, thereby expanding their operational workspace and enabling applications in industrial automation, medical assistance, and planetary exploration. However, their complex coupled dynamics, characterized by nonholonomic constraints and interconnected subsystems, make trajectory tracking a highly challenging task. This research addresses these challenges by developing a unified observer–controller framework that guarantees robust, high-precision, and f ixed-time trajectory tracking performance.
The first part of the research introduces a Nonlinear Active Disturbance Rejection Control (NADRC) scheme, in which a Nonlinear Extended State Observer (NESO) estimates the total disturbances arising from model uncertainties and external perturbations, while a nonlinear proportional-derivative (PD) controller ensures accurate trajectory tracking. The second contribution proposes an Extended State Observer-based Non-Singular Fast Terminal Sliding Mode Control (ESO-NFTSMC) for n-DoF coupled mobile manipulators. This design avoids singularities, enhances transient response, and compensates for lumped disturbances in real-time, achieving finite-time convergence with reduced chattering. Finally, the third and principal contribution develops a Fixed-Time Terminal Sliding Mode Control (FTSMC) integrated with a Fixed-Time Extended State Observer (FESO). This framework ensures convergence to the desired trajectory within a predefined time bound, independent of initial conditions, while maintaining robustness to uncertainties and measurement noise.
All proposed approaches are mathematically analyzed using Lyapunov stability theory and experimentally validated on a 5-DoF mobile manipulator platform (Mob-ETS) developed at ÉTS. The real-time results demonstrate progressively sophisticated performance, from the smooth and robust tracking of the NADRC to the fast, finite-time convergence of the ESO-NFTSMC, and culminating in the verified fixed-time convergence of the FTSMC-FESO framework. All controllers show excellent tracking accuracy and strong robustness against external disturbances under a variety of operating conditions.
Overall, this research establishes a comprehensive and experimentally verified control framework for robust and time-guaranteed trajectory tracking of mobile manipulators, providing a significant contribution to the field of nonlinear robotic control and laying the foundation for future extensions to multi-robot coordination and adaptive fixed-time observer designs
Prédiction de l’état de santé (soh) d’une batterie lithium- ion à l’aide de méthodes hybrides d’apprentissage profond
No full textL’estimation précise de l’état de santé (soh) des batteries lithium-ion est essentielle pour optimiser la gestion des batteries et éviter les défaillances prématurées. Avec la dépendance croissante aux batteries lithium-ion dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie, la prédiction fiable du soh est plus importante que jamais. Cependant, cette estimation reste difficile en raison de l’évolution continue des caractéristiques des batteries au fil du temps et des limites des approches existantes. Les méthodes traditionnelles, telles que les modèles de circuits équivalents ou les modèles électrochimiques, peuvent être complexes, longues à exécuter et manquent souvent de flexibilité. Les approches basées sur les données offrent des alternatives prometteuses, mais elles nécessitent généralement de grandes quantités de données étiquetées et peinent à bien généraliser à des conditions variables.
En bref, l’estimation précise du SOH des batteries lithium-ion est cruciale pour éviter les pannes et optimiser leur gestion, surtout avec leur rôle central dans les véhicules électriques et le stockage d’énergie. Or, ce défi est compliqué par l’évolution des caractéristiques des batteries au fil du temps. Les méthodes classiques sont souvent rigides et chronophages, tandis que les approches basées sur les données exigent d’énormes quantités de données étiquetées et généralisent mal. En intégrant ces justifications, le résumé répondra aux attentes académiques, tout en montrant pourquoi c’est crucial.
Pour relever ces défis, ce mémoire propose un modèle hybride d’apprentissage profond com binant un autoencodeur masqué (mae) et un réseau de neurones lstm (sans mécanisme d’attention) pour l’estimation du SOH. Le modèle intègre également une fonction de perte contrastive (cl) afin d’améliorer l’apprentissage des représentations. Il est entraîné sur des fenêtres glissantes de longueur 100 (taille de lot 16, 100 époques), à partir des caractéristiques normalisées cycle_norm et capacity, extraites des cycles de charge-décharge des batteries B0005, B0006 et B0007. Le modèle est ensuite évalué sur une batterie de test indépendante, B0018, pour laquelle il atteint un rmse de 1,51, un mae de 0,81 et un coefficient de détermination R² de 0,98.
Ces résultats montrent que la combinaison de MAE (pour gérer les données manquantes), cl (pour renforcer la généralisation) et LSTM (pour la modélisation temporelle) constitue une architecture auto-supervisée efficace. Globalement, l’approche proposée confirme le potentiel de l’apprentissage auto-supervisé pour un diagnostic de santé des batteries à la fois précis et évolutif
Développement d’une approche dynamique du coût global pour le secteur des actifs bâtis
No full textLe coût global est une approche d’estimation financière permettant d’identifier et estimer les coûts du cycle de vie d’un projet. Les recherches tentent de remettre en avant cette méthodologie qui bien que connue de tous, s’avère être une grande oubliée dans les projets. Les motivations derrière cette recherche relèvent tout d’abord d’un enjeu pratique. Le coût global donne la possibilité de prendre en compte de coûts socio-environnementaux issus des externalités des projets. Aussi, la transition numérique du secteur exige une meilleure maîtrise des coûts de construction grâce aux nouvelles technologies de l’information, notamment le Building Information Modeling (BIM). Ces technologies offrent des capacités collaboratives qui facilitent la gestion du cycle de vie. C’est donc une opportunité de remettre en lumière l’approche du coût global dans les discussions. D’un point de vue théorique, il est essentiel de comprendre les barrières persistantes qui entravent son utilisation. Ensuite, il est nécessaire d’appréhender les enjeux d’intégration technologiques dans les projets de construction. La revue de la littérature identifie les technologies de l’internet sémantique comme solution à l’interopérabilité et d’intégration. L’objectif de cette thèse est d’explorer l’utilisation des technologies sémantiques et du BIM comme outils pour soutenir l’intégration systématique du coût global dans les pratiques d’estimation. Le projet de recherche adopte la méthodologie de la Recherche en Science de la Conception. Cette approche méthodologique permet de proposer des solutions à des problèmes pratiques, confrontant à la fois la théorie et la pratique. Adoptant une posture pragmatique, une méthode de collecte de données mixte a permis de récupérer des données quantitatives à travers deux sondages, et des données qualitatives par la réalisation d’entrevues semi-dirigées et d’un groupe de réflexion. Les données ont été récupérées auprès d’estimateurs et économistes de la construction, principalement situés au Canada. Les résultats sont ressortis dans cette thèse par articles au travers de trois papiers revus par des pairs. La première étude clarifie les enjeux de l’approche et souligne l’importance de son caractère interprétatif. Elle propose que les experts en coûts portent le coût global, vu comme une opportunité d’évolution. Le second papier contribue par la translation des connaissances de l’approche en ontologie. Une démonstration présente les capacités de calcul à partir de l’ontologie et discute de ses potentielles utilisations. Dans, le troisième papier une plateforme sémantique est développée pour analyser les estimations de coûts de projet en coût global. Les discussions de la thèse mettent en perspective le besoin d’augmenter l’utilisation du coût global dans les projets et de l’intégrer dans les responsabilités des experts en coûts. Son adoption dépendra cependant d’une évolution culturelle et organisationnelle pour accompagner l’évolution technologique du secteur, et apporter une valeur ajoutée aux projets en optimisant les décisions financières sur les plans économique, environnemental et social
Réalisation d’une carte interactive pour la communication de l’exposition et la vulnérabilité aux changements climatiques
No full textL’augmentation de la fréquence et de l’intensité des évènements extrêmes liés aux changements climatiques exerce une pression croissante sur les bâtiments, les infrastructures et la population du Québec. Les aléas climatiques tels que les vagues de chaleur, les précipitations abondantes et les tempêtes destructrices se font de plus en plus sentir dans la province. Pourtant, l’accès à l’information et à des solutions d’adaptation reste un frein majeur pour la société québécoise.
Ce mémoire a pour objectif principal de concevoir une carte interactive du Québec permettant de visualiser, pour un emplacement donné, l’exposition aux principaux aléas climatiques tout en proposant des solutions d’adaptation et de résilience pour les bâtiments et les infrastructures. Il vise à rendre accessibles des données climatiques complexes issues de sources scientifiques reconnues afin de sensibiliser la population québécoise et de l’outiller pour faire face aux défis climatiques. En s’appuyant sur une revue de littérature des sources de données climatiques existantes au Québec, ce mémoire vise à créer une méthodologie pour rassembler l’information existante en un seul outil pour la population québécoise. La première version de l’outil comporte sept aléas climatiques : augmentation des températures, pluies abondantes, chaleur extrême, froid extrême, tempêtes destructrices, sécheresses et crues.
Après l’analyse de diverses bases de données climatiques au Québec, les projections climatiques incluses dans la carte interactive proviennent principalement de l’outil Portraits climatiques d’Ouranos et de l’Atlas hydroclimatique du Québec méridional tandis que les données de vulnérabilité proviennent de l’analyse de vulnérabilité de la ville de Montréal. En plus de permettre de visualiser un total de 39 indicateurs climatiques, la plateforme permet d’obtenir un rapport personnalisé en fonction de son emplacement. Le rapport permet de voir quels aléas sont les plus critiques pour un emplacement et propose plus d’une centaine de solutions d’adaptation pour les bâtiments et les infrastructures.
Finalement, le projet vise donc à renforcer la résilience climatique au Québec en créant une première version de la carte interactive et en ouvrant la voie à de futurs travaux en matière d’adaptation et de résilience climatique au Québec
Design and manufactring of an ultra-lightweight semi-rigid indoor airship for underground exploration
No full textRobotic exploration of confined or hazardous environments, such as tunnels, industrial interiors, and underground caverns, remains constrained by the endurance, safety, and disturbance limits of conventional aerial platforms. Although multirotor drones offer precise control and hovering capability, their reliance on continuous thrust severely limits flight duration and payload capacity. Lighter-Than-Air (LTA) airship platforms offer a promising alternative. By generating lift through buoyancy rather than propulsion, they enable lower energy consumption, reduced aerodynamic disturbance, and inherently safer operation.
While significant progress has been made in the design of large, outdoor airships for stratospheric or tethered missions, where payload and endurance dominate design priorities, indoor LTAs operate at a drastically smaller scale (approximately one cubic meter), enabling navigation through narrow corridors and doorways. At this scale, stringent weight constraints mean that even marginal increases in structural mass reduce useful payload and endurance. The envelope, which can account for more than 30% of available lift, therefore becomes the most critical component governing overall system performance and reliability.
This thesis addresses these challenges through an integrated experimental and numerical investigation of robust but ultra-light indoor airship envelopes. Mechanical characterization of candidate materials led to the development of a coated polymer envelope optimized for minimal mass, mechanical durability, and improved gas retention, suitable for use in harsh mission environments. Complementing this effort, a finite element modeling framework was established in Abaqus/Explicit to evaluate structural responses under pressurization and low-velocity impact with environmental obstacles, comparing purely inflatable envelopes with semi-rigid designs reinforced by lightweight skeletons intended to protect the flight system in cluttered environments.
The findings demonstrate that semi-rigid reinforcement effectively mitigates deformation and damage during impacts, allowing the envelope to maintain structural integrity and continue operating while preserving buoyancy margins. The developed envelope achieved an excellent balance between strength and permeability and was successfully validated during an underground exploration mission, confirming performance beyond laboratory testing. The main contributions of this work include (i) a new dataset of mechanical properties for ultra-thin membranes benchmarked against conventional materials, (ii) a patented coated envelope design for indoor LTA platforms, and (iii) a reproducible impact simulation framework for semi-rigid and non-rigid LTA system configurations. Collectively, this research advances the development of next-generation indoor LTA vehicles capable of persistent, safe, and energy-efficient operation in previously inaccessible environments
A reconfigurable impedance matching network
No full textModern mobile and wearable devices increasingly rely on compact and efficient RF systems to maintain reliable communication. In these systems, the performance of the RF front-end is highly influenced by variations in antenna impedance, user interaction, and changes in surrounding materials. These factors can cause significant fluctuations in load impedance, leading to mismatch conditions between the load and the preceding RF stage—ultimately, notably the amplifier, degrading signal quality and power transfer efficiency. To address this challenge, a reconfigurable matching network is essential. Moreover, such a network must be compact and suitable for integration with embedded systems,in oder to minimize the increase in size and weight.
In this study, we present a SPDTs-based tunable matching network capable of adjusting to varying impedance conditions. The proposed system consists of three primary subsystems: an embedded measurement block, a control block, and a tuning block. The system begins by measuring the input reflection coefficient to evaluate the level of mismatch. Based on this measurement, the control unit determines the optimal configuration of the switches in the tuning block. These switches are then set accordingly to reconfigure the network and minimize the impedance mismatch
Vers le Remanufacturing 5.0: une approche méthodologique pour la mise en œuvre de systèmes de refabrication intelligents et durables
No full textCette thèse aborde la mise en œuvre des principes de l’Industrie 5.0 dans les systèmes de refabrication ( en anglais « remanufacturing ») afin de surmonter leurs principaux défis. La refabrication est une stratégie d’économie circulaire qui, par le biais de processus industriels, redonne aux produits en fin de vie un état similaire, voire supérieur, à celui des produits neufs. Cela permet de réduire la consommation d’énergie et de matières premières par rapport à la fabrication de nouveaux produits. Cependant, sa mise en œuvre est complexe car elle implique de relever d’importants défis intrinsèques, tels que l’incertitude quant à la quantité, l’état et les taux de retour des produits usagés, la complexité des processus et des produits, et la méfiance des consommateurs, entre autres. De plus, des préoccupations persistent quant à sa durabilité, car sa mise en œuvre privilégie les critères économiques au détriment des critères environnementaux et sociaux, négligeant ainsi les besoins de toutes les parties prenantes. Dans ce contexte, l’implémentation des principes de l’Industrie 5.0 en la refabrication, qui incluent la durabilité, l’approche centrée sur l’humain et la résilience des systèmes, représentent la meilleure alternative pour surmonter ces défis.
La thèse commence par identifier les liens entre la durabilité, les parties prenantes et le système de refabrication. Ceci est réalisé en identifiant et en analysant ses principaux indicateurs clés de performance. À partir de ces éléments, une définition de la refabrication durable est formulée, ainsi qu’un cadre méthodologique permettant d’évaluer le démontage, le recyclage et la refabrication durables des produits.
Une architecture intelligente, constituant le cœur du système, est présentée. Cette architecture intègre les principes de l’Industrie 5.0 et relie le modèle d’affaires, les parties prenantes et les opérations du système tout au long de la chaîne d’approvisionnement grâce à des systèmes intelligents. Sa pertinence et son applicabilité sont illustrées par une étude de cas portant sur la refabrication de moteurs électriques.
Une architecture de refabrication cellulaire reconfigurable est introduite en tant qu’architecture productive. Celle-ci est intégrée à une stratégie d’entreprise afin de gérer l’incertitude quant à la quantité et à l’état des produits usagés. Un modèle d’optimisation multi-objectif est proposé pour configurer l’architecture. Les résultats montrent que les configurations proposées gèrent efficacement l’incertitude.
Le Remanufacturing 5.0 est introduit à travers une étude de cas basée sur la revalorisation des batteries lithium-ion de véhicules électriques au Québec, au Canada. Cette étude comprend une simulation du cycle de vie des batteries, une prédiction de leur durée de vie et un modèle d’optimisation multi-objectif qui synthétise les principes de l’Industrie 5.0. La démarche entreprise permet de comprendre le fonctionnement du système et fournit des informations sur son adoption et sa mise en œuvre.
Cette thèse contribue à la compréhension de l’intégration des principes de l’Industrie 5.0 dans la refabrication, d’un point de vue méthodologique. À cette fin, elle établit comment ces principes interagissent avec le système de refabrication; puis les intègre à la structure du système; et enfin, simule le fonctionnement du système de Remanufacturing 5.0 afin d’illustrer ses différentes dimensions et ses avantages
Experimental and numerical characterization of mycelium-based bio-composites as building insulation materials
No full textThis thesis introduces and characterizes mycelium-based composites (MBCs) through multi scale experimental and numerical analyses. These composites combine plant aggregates with a fungal matrix, creating a natural insulation material with net-zero carbon potential. For practical applications in building envelopes, a detailed understanding of their hygrothermal properties is crucial, as thermal and moisture behaviors are strongly interdependent. An integrated analysis of heat and moisture transfer, including property measurement, correlation analysis, and simulation, was therefore undertaken.
Research gaps remain in the measurement covering the spectrum of hygric behavior, in their relevance to thermal and microstructural properties, and in the development of numerical models that incorporate sorption–desorption patterns, hysteresis, and coupled heat–mass transfer. To address this, a three-stage methodology was applied. First, fabrication trials explored substrates, fungi, additives, and processing methods to optimize homogeneity and fungal growth, considering the compatibility of constituents such as the cellulose-lignin composition of the substrate, their interaction with mycelium, and the types of incorporated mycelium and additives. Second, experimental campaigns evaluated insulation performance, moisture buffering, thermal conductivity, and selected microstructural properties. Third, a coupled heat and mass transfer model was implemented in COMSOL, with sorption models calibrated using the experimental results and validated against the measured moisture buffer value (MBV), an index that quantifies a material’s capacity to moderate indoor humidity fluctuations. Both isothermal and non-isothermal simulations, including hysteresis effects, were performed.
The results confirm the suitability of MBCs as sustainable replacements for carbon-intensive insulation materials such as Styrofoam. The developed fabrication practices, the obtained range of experimental results, and the highly accurate and reliable numerical model provide a foundation for future research on alternative formulations and performance predictions under diverse climatic and envelope conditions