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Structural state awareness of composite structures by blending passive and active acoustic-based health monitoring methods
No full textThis study aims to demonstrate the effectiveness of blending passive and active acoustic-based health monitoring methods to impact damage diagnostics of composite structures. The structural state awareness is introduced as a term to characterize the health condition that a structure is and how this condition can be quantified by blending health monitoring techniques. To this aim, a Carbon Fiber Reinforces Polymer (CFRP) composite plate was fabricated and subjected to a simulated low-velocity impact by performing repeated quasi-static indentation tests where a loading-unloading-reloading test profile was adopted. Two Acoustic Emission (AE) broadband sensors and a network of eight piezoelectric (PZT) sensors were attached on the composite plate surface. AE (passive method) was employed during the loading and reloading phases of the indentation tests to in-situ monitor the damage initiation and progression, while scanning of the plate with Lamb waves (active method) was done to localize the damage when the structure was unloaded. The obtained results showed that the proposed blended passive and active acoustic-based method has the potential to provide useful information about the impact-induced damage in composite structures.Structural Integrity & Composite
Surveillance et supervision de structures mécaniques
No full textIssu de la thèse de Y. Liu et de son dispositif expérimental (une interface
tactile en cuivre), ce projet développe une nouvelle méthode qui réduit le temps de
calcul pour la détection de défauts dans le système mécanique. En se basant sur le
processus appelé « Structural Health Monitoring », à l’aide d’une carte d’acquisition
dSpace, d’un actionneur et d’un capteur piézoélectrique on mesure la réponse vibratoire
du système présentant un endommagement de type massique. Après en utilisant une
théorie mathématique récente appelée « Support Vector Machines » on analyse la
réponse vibratoire de la plaque pour pouvoir localiser, le plus précisément possible,
l’emplacement du défaut créé sur le système.Outgoin
Surveillance et supervision de structures mécaniques
No full textIssu de la thèse de Y. Liu et de son dispositif expérimental (une interface
tactile en cuivre), ce projet développe une nouvelle méthode qui réduit le temps de
calcul pour la détection de défauts dans le système mécanique. En se basant sur le
processus appelé « Structural Health Monitoring », à l’aide d’une carte d’acquisition
dSpace, d’un actionneur et d’un capteur piézoélectrique on mesure la réponse vibratoire
du système présentant un endommagement de type massique. Après en utilisant une
théorie mathématique récente appelée « Support Vector Machines » on analyse la
réponse vibratoire de la plaque pour pouvoir localiser, le plus précisément possible,
l’emplacement du défaut créé sur le système.Outgoin
Development of learning strategies and their transfer in Structural Health Monitoring
No full textLe Contrôle de la Santé des Structures (ou Structural Healh Monitoring, SHM en anglais) accompagne le déploiement de la maintenance prédictive en surveillant textit{in situ} et en temps réel les structures aéronautiques. La technologie retenue dans ces travaux s'appuie sur des propagations d'ondes de Lamb mesurées par des transducteurs piézoélectriques. Les dommages sont alors caractérisés par des méthodes avancées de traitement du signal et d'apprentissage automatique. Un procédé innovant de délaminages induits par des chocs Laser est exploité dans ces travaux pour valider un modèle par éléments finis et pour évaluer les algorithmes de SHM sur des endommagements réalistes et entièrement maitrisés.La représentation d'un dispositif de SHM en système est exploitée afin de proposer des stratégies de résolution du problème direct et inverse par des méthodes d'apprentissage. Plusieurs approximations du problème direct sont évaluées afin de prédire rapidement des résultats de simulations numériquement couteuses. De plus, une stratégie d'apprentissage profond est proposée pour la résolution du problème avec une bonne capacité de généralisation et une robustesse aux incertitudes expérimentales.L'apprentissage dépend cependant des données d'entrainement et tout changement structurel, environnemental ou opératoire courant en SHM détériore les prédictions. Une approche innovante d'apprentissage par transfert exploitant la théorie du transport optimal propose alors de capitaliser sur les connaissances acquises sur structure pour les transférer à une autre à l'aide des potentiels de Kantorovich. Cette approche ouvre la voie à des modèles d'apprentissage profond hybrides mélangeant des données numériques riches avec des données expérimentales.The Structural Health Monitoring (SHM) accompanies the deployment of predictive maintenance by monitoring aeronautical structures in real time. The technology used in this work is based on Lamb wave propagation measured by piezoelectric transducers. The damages are then characterized by advanced methods of signal processing and machine learning. An innovative laser shock induced delamination process is used in this work to validate a finite element model and to evaluate SHM algorithms on realistic and fully controlled damage.The representation of a SHM device as a system is exploited to propose strategies for solving the direct and inverse problem by learning methods. Several approximations of the direct problem are evaluated to quickly predict the results of numerically expensive simulations. Moreover, a deep learning approach is proposed to solve the inverse problem with a very good generalization capacity and robustness to experimental uncertainties.However, the learning depends on the training data and any structural, environmental, or operational change deteriorates the predictions. An innovative transfer learning approach based on the optimal transport theory proposes to capitalize on the knowledge acquired on a structure to transfer it to another through Kantorovich potentials. This approach opens the way to hybrid deep learning models mixing rich numerical data with experimental data in SHM
Surveillance et supervision de structures mécaniques
No full textIssu de la thèse de Y. Liu et de son dispositif expérimental (une interface
tactile en cuivre), ce projet développe une nouvelle méthode qui réduit le temps de
calcul pour la détection de défauts dans le système mécanique. En se basant sur le
processus appelé « Structural Health Monitoring », à l’aide d’une carte d’acquisition
dSpace, d’un actionneur et d’un capteur piézoélectrique on mesure la réponse vibratoire
du système présentant un endommagement de type massique. Après en utilisant une
théorie mathématique récente appelée « Support Vector Machines » on analyse la
réponse vibratoire de la plaque pour pouvoir localiser, le plus précisément possible,
l’emplacement du défaut créé sur le système.Outgoin
Integrated Tactile Sensor Solutions for Robotic Dexterous Manipulation
No full text44 páginasCe projet vise à comprendre comment l’être humain réalise la manipulation d’objets, les mouvements de la main les plus communs ainsi que les zones les plus concernées lors de l’interaction. Le but final de cette étude est l’établissement de directives et de critères de référence simples afin de concevoir de nouveaux systèmes sensoriels tactiles pour les mains robotiques. De plus, ce projet mettra l’accent sur l’analyse des systèmes intégrés fondés sur la compréhension de l’homme (interaction avec les objets) et les systèmes artificielles (contraintes robotiques).
Ce dossier comprend : –La description détaillée de la problématique à résoudre et les objectifs de ma mission. –Une synthèse de l’état de l’art sur la manipulation dextre en robotique et sur les études réalisées en manipulation In-hand. –La procédure utilisée pour l’intégration d’une peau artificielle sur main robotique et –les perspectives des futurs travaux.PregradoIngeniero Mecatrónic
Comparación del Desempeño de Dos Estrategias de Seguimiento de Trayectoria Para la Navegación Autónoma de un Robot Móvil Diferencial
No full text87 páginasEl presente trabajo consiste en el desarrollo, implementación y comparación del desempeño de dos estrategias de seguimiento de trayectoria para un robot móvil diferencial. La motivación para esta investigación surge debido a que la planificación y seguimiento de trayectorias de manera autónoma en diferentes entornos por parte de un robot móvil representa uno de los enfoques más importantes de las investigaciones en torno a la navegación de este tipo de vehículos.
Desde la perspectiva del control tradicional se ha intentado resolver el problema de seguimiento de una trayectoria por diferentes métodos, pero la peculiar naturaleza cinemática no holonómica de las diferentes configuraciones de robots móviles resulta en la inaccesibilidad de una realimentación suficientemente estable para una postura dada, lo anterior, se resume básicamente en estar enfrentando a un sistema con características de no linealidad. Como alternativa de solución, las Redes Neuronales Artificiales (RNA) han resultado ser efectivas para lograr el control del movimiento de robots móviles debido a su capacidad de producir buenos modelos para sistemas no lineales, su estructura plana y altamente distribuida hace los esquemas de control neuronal más rápidos que los algoritmos tradicionales y finalmente, su capacidad algorítmica de adaptación ante cambios en el comportamiento de un proceso real.
Se abordó el problema de control de seguimiento de trayectoria para un robot móvil diferencial desde las perspectivas mencionadas anteriormente, las cuales requerían para la aplicación de la señal de control la estimación exacta de la posición, esta fue calculada mediante un algoritmo de Filtro de Kalman Extendido. Para cada una de los controladores se procede al entendimiento de sus fundamentos matemáticos y se realiza la programación e implementación de los algoritmos en la plataforma de software seleccionada y por último, se finaliza con la evaluación del desempeño de cada una de las estrategias teniendo en cuenta la exactitud y el tiempo de ejecución utilizado para realizar la trayectoria completa.
Se obtienen dos estrategias de seguimiento de trayectoria, las cuales son efectivas en el control de seguimiento de una trayectoria para un robot móvil diferencial bajo diferentes escenarios de geometría de la trayectoria y velocidad del vehículo.This work involved the development, implementation and performance comparison of two strategies for trajectory tracking for a differential mobile robot. The planning and path tracking independently in different environments by a mobile robot is one of the most important approaches to research on navigating this type of vehicle.
From the perspective of traditional control has been tried to solve the problem of tracking a trajectory by different methods, but the peculiar nonholonomic kinematic nature of the different configurations of mobile robots results in inaccessibility of sufficiently stable feedback for a given posture, above, is summarized basically to be facing a system with characteristics of nonlinearity. As an alternative solution, the Artificial Neural Networks (ANN) have proved effective to achieve the motion control of mobile robots due to their ability to produce good models for nonlinear systems, flat design and highly distributed make the schemes of neuronal control faster than traditional algorithms, and finally, its algorithmic adaptability by changes in the behavior of a real process.
The control problem of trajectory tracking for a differential mobile robot is addressed from the perspectives mentioned above, which required for the application of the control signal for the exact position estimation, this was calculated by an algorithm Extended Kalman Filter. For each of the controllers it is proceed to understanding their mathematical foundations and then the programming and implementation of the algorithms is performed on the platform selected software and finally closed with the evaluation of the performance of the strategies given accuracy and execution time used to perform the complete path.
Two strategies for trajectory tracking are obtained, which are effective in controlling a trajectory tracking for a differential mobile robot under different scenarios geometry of the trajectory and speed of the vehicle.PregradoIngeniero Mecatrónic
Multiphysics modelling and control of an ondulating membrane pump
No full textContexte : CorWave est une entreprise développant une pompe d’assistance cardiaque en s’appuyant sur une technologie novatrice de pompe à membrane ondulante. La pompe est constituée d’une membrane déformable, qui actionnée par un système bobine-aimant créé une onde permettant de propulser un fluide. Ce dispositif original ouvre la voie à de nombreux défis tant scientifiques que technologiques. Ainsi, à la suite d’une première étude de faisabilité montrant la possibilité d’utilisation de la technologie pour une application médicale, l’entreprise entre dans une phase de développement du produit en vue de sa première implantation sur des êtres humains. Objectifs : Création d’un modèle numérique multiphysique faisant le lien entre la simulation fluidique dans la tête de pompe, la simulation vibratoire de la membrane et la simulation électromécanique de l’actionneur à reluctance magnétique. Développement d’un métamodèle et d’une loi de commande de la pompe. Adaptation de la commande selon des critères de puissance, efficacité, durabilité et biocompatibilité. Organisation des travaux : Modélisation numérique du prototype, Développement d’un métamodèle et de la commande de la pompe, Création d’estimateurs permettant de rendre compte du fonctionnement de la pompe en limitant la présence de capteurs. Détection des dommages et adaptation de la commande.Background: CorWave is a company which is developing a left ventricular assist device (LVAD), based on an ondulating membrane pumping technology. The device consist of a polymer membrane deformed by the actuation of a electromagnetic linear actuator. The resulting deformation wave of the membrane create fluid's circulation. Following a proof of concept stage, the company is developing the device for it's first implantation on a human subject. Objectives: Creation of a multiphysics model to link the fluid-structure interaction inside the pump head to the electromagnetic actuation. The model shall be used to develop control laws for the device with limited measurements. The control law shall include criterion such as efficiency, durability and biocompatibility. Planning: pump modelling, control law development, estimators/observers creation to reduce the number of required sensors to control the device. update of the control law to include damage detection
3D Sound reproduction using sound-emitting surfaces in cars : active sound and vibration control
No full textL’objectif de cette thèse est de proposer et de valider des solutions alternatives aux haut-parleurs électrodynamiques classiquement utilisés dans l’automobile qui soient compatibles avec le rendu sonore spatialisé. L’idée directrice est de faire directement vibrer et rayonner des garnitures intérieures équipées d’actionneurs (électrodynamiques ou piézoélectriques) en y focalisant des ondes de flexion. Trois méthodes de focalisation de la littérature ont ainsi été formalisés dans un cadre commun et adaptées aux applications audio. Une étude paramétrique a été menée pour les comparer numériquement et expérimentalement à l’aide d’indicateurs de performances dédiés. La méthode de focalisation la plus efficace est l’inversion spatio-temporelle de l’opérateur de propagation. Elle nécessite un apprentissage préalable de la dynamique de la structure expérimentalement couteux. Une validation expérimentale des capacités de focalisation de cette méthode a été effectuée sur une portière de voiture. L’apprentissage par le biais d’un jumeau numérique au lieu de données expérimentales a de plus été validé. Les variations de température entre 10°C et 60°C existantes dans un habitacle de voiture ont ensuite été considérées. Les propriétés dynamiques de la structure hôte (constituée de polypropylène en général) varient en effet largement dans cette plage de température. Une stratégie de compensation de la température basée sur un jumeau numérique entrainant un réseau de neurones a été mise en place et validée numériquement. De plus, les bruits et vibrations dus au moteur et à la route perturbent également la focalisation. Une commande en boucle fermée a été mise en place afin de garantir les performances de l’algorithme de focalisation tout en éliminant ces perturbations.The main objective of this thesis is to propose alternative solutions to classical electrodynamic loudspeakers used in the automobile industry being compliant with spatial sound rendering. The idea is to make indoor garnishments equipped with actuators (electrodynamic or piezoelectric) vibrating and radiating sound by focusing bending waves inside them. Firstly, three wave focusing methods have been formalized in a common framework and adapted to audio applications. A parametric study was conducted to compare them using dedicated key performance indexes. It turns out that the most efficient method in this context is the inversion of the spatio-temporal propagation operator which requires a prior experimental learning of the structure dynamics. An experimental validation of the focusing abilities of this method has been achieved on a car door. Learning through a numerical twin instead of time-consuming experimental data has also been validated. Then temperature variations between -10°C and 60°C existing car have been considered. The dynamic properties of the host structure (made of polypropylene in general) indeed vary widely in this temperature range. A temperature compensation strategy based on digital twins feeding neural networks has therefore been implemented. In addition, noise and vibrations due to the engine and the road can impact bending wave focusing. A closed loop strategy is therefore used to guarantee the performance of the focusing algorithm while eliminating those disturbances
3D ultrasound imaging using thin plate radiation applied to contactless human-machine interaction
No full textLa multiplicité des usages du numérique et la variété des contextes d'utilisation poussent au développement de dispositifs d'interactions multimodaux intégrés permettant une interaction tactile tangible ou sans-contact avec des écrans. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont porté sur le développement d'un capteur pour l'interaction gestuelle sans contact reposant sur le rayonnement acoustique de plaques minces, telles que des écrans. Ce rayonnement, contrôlé par un faible nombre de transducteurs piézoélectriques couplés à la plaque, est réfléchi par les objets du volume situés au-dessus et capté par des microphones placés dans le plan de la plaque. En s'appuyant sur une méthode d'imagerie 3D par émission ultrasonore non focalisée combinée à une décomposition tensorielle par HOSVD, ces travaux ont permis de produire une image en temps réel (33 Hz) du volume (160 x 110 x 80 mm3) au-dessus de la plaque avec une résolution spatiale de 1 mm. Ces résultats permettent de premières applications de détection et de suivi de déplacement de doigts dans l'air. Le mouvement des mains produit également un décalage Doppler qui a été exploité pour reconnaître 11 gestes 3D réalisés au-dessus de la plaque par 19 participants. Un réseau de neurones récurrent de faible complexité permet leur détection et classification sans latence perceptible. Au-delà de l'interaction sans contact, les méthodes développées dans cette thèse d'imagerie rapide à faible nombre de transducteurs et de reconnaissance de motifs Doppler ouvrent des perspectives d'applications en imagerie médicale ou contrôle non destructif.The wide range of digital technology applications and the diverse contexts in which they are used drive the development of integrated multimodal interaction devices, enabling both tactile and contactless interactions with screens. This thesis contributes to this field through the development of a sensor for contactless gestural interaction based on the acoustic radiation of thin plates such as display screens. This radiation, controlled by a limited number of piezoelectric transducers coupled to the plate, is reflected by objects in the volume above and captured by microphones set in the plane of the plate. Using a 3D imaging technique based on unfocused ultrasound emission combined with tensor decomposition using HOSVD, this work achieved real-time imaging (33 Hz) of the volume (160 x 110 x 80 mm3) above the plate, with a spatial resolution of 1 mm. These advancements enabled first applications of detection and tracking of finger movements in air. Additionally, the hand movements generate a Doppler shift, which was utilized to identify 11 distinct 3D gestures performed by 19 participants. A low-complexity recurrent neural network was used to detect and classify these contactless gestures with no noticeable latency. In addition to contactless interaction, the methods developed in this thesis for fast imaging with a small number of transducers and Doppler pattern recognition open up new applications in medical imaging and non-destructive testing
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