Estimation d'un changement de repère variable entre deux plateformes inertielles appliquée aux Satcom On-The-Move

Doctorante : Laetitia TOSONI 

Laboratoire INSA : Ampère

École doctorale : Automatique

Travaux de thèse dirigés par Monsieur Minh Tu PHAM et Monsieur Paolo MASSIONI 

Composition du jury proposé : 

M. Minh Tu PHAM	INSA Lyon	Directeur de thèse
Mme Christine PRELLE	UTC	Rapporteure
M. Sébastien CAUET	Université de Poitiers	Rapporteur
M. Paolo MASSIONI	INSA Lyon	Co-directeur de thèse
M. Stéphane CARO	CNRS - LS2N	Examinateur
Mme Caroline KULCSÁR	Institut d’Optique Graduate School	Examinatrice

Mots- clés : Transfert d'alignement, Estimateur temps réel, Satcom On The Move, Stabilisation inertielle, Filtre de Kalman

Résumé :
La communication moderne exige à la fois un débit de données important et une large couverture géographique. La communication par satellite (Satcom) répond à ces deux besoins, mais exige que l’antenne soient dirigée vers le satellite visé pendant toute la durée de la communication. Dans le cas d’une application mobile dite SOTM (Satcom On-The-Move), l’antenne est montée sur un système mécatronique permettant de maintenir un pointage correct malgré les mouvements du véhicule porteur. Ce système mécatronique doit être asservi, ce qui exige le calcul d’une consigne de position. Plusieurs méthodes existent pour calculer cette consigne. Certaines utilisent un signal en provenance du satellite, mais elles sont alors dépendantes de la disponibilité de ce signal. D’autres utilisent des calculs géométriques basés sur des informations inertielles fournies par des capteurs embarqués sur la station SOTM, mais certaines inconnues dans la géométrie du système dégradent la précision du calcul au-delà des exigences de pointage. Ces inconnues peuvent être contournées si le véhicule porteur est équipé d’une centrale inertielle : le problème se ramène alors à une question d’estimation de changement de repère entre deux plateformes inertielles ; une se situant sur le véhicule porteur, l’autre se situant au niveau de l’antenne. Le transfert d’alignement est une méthode efficace pour estimer un changement de repère entre deux plateformes, mais il est traditionnellement appliqué à des changements de faible amplitude et invariants dans le temps. Dans le cas de changements de repères de grande amplitude, les modèles utilisés sont presque exclusivement non-linéaires. Dans le cadre de ces travaux de thèse furent développés deux algorithmes de transfert d’alignement destinés à l’estimation de changements de repères d’amplitude arbitraire et variables dans le temps. Le premier, basé sur un modèle de mesure tiré de la littérature, utilise des mesures de vitesse longitudinale et d’attitude, une combinaison classique dans le domaine du transfert d’alignement. Le second utilise des mesures de vitesses angulaires et d’accélérations longitudinales, des variables peu utilisées dans ce domaines mais plus appropriées au matériel imposé par une application aux SOTM. Un modèle de propagation original, applicable aux deux cas de figure, est ici proposé. Une représentation d’attitude en quaternions a été choisi afin de garantir la linéarité des modèles utilisés. Les algorithmes développés ont été testés en simulation et en expérimentation sur banc de test. Des métriques appropriées ont été définies afin d’analyser les performances des algorithmes et de déterminer les sources d’erreurs pouvant les impacter.

Pollutions causées par les inondations urbaines : Modélisation expérimentale du transport de polluants issus de déversements locaux

Doctorant : Clément FAGOUR

Laboratoire : INRAE Riverly Fonctionnement des hydrosystèmes

École doctorale : ED 162 MEGA

Travaux de thèses dirigés par Monsieur Emmanuel MIGNOT et Monsieur Sébastien PROUST 

Composition du jury proposé : 
M. Sébastien PROUST    INRAE    Co-directeur de thèse
M. Philippe GOURBESVILLE    Université Côte d'Azur    Rapporteur
M. Emmanuel MIGNOT    INSA Lyon    Directeur de thèse
M. Koen BLANCKAERT    Vienne University of Technology    Rapporteur
Mme Lylia KATEB    CEA Cadarache    Examinatrice
M. Pietro SALIZZONI    École Centrale de Lyon    Examinateur

Mots-clés : advection,mélange,dispersion,diffusion turbulente,laboratoire,risque sanitaire

Résumé :
Les pollutions causées par les inondations urbaines s’inscrivent dans une problématique largement négligée par la sphère scientifique et celle des gestionnaires, contrairement à d’autres risques déjà bien étudiés (déstabilisation et entraînement des véhicules, du mobilier urbain, des bâtiments, des piétons). Notamment, l’effet des processus hydrodynamiques complexes dans un réseau de rues inondées sur le transport de polluant a été très peu étudié. Cette thèse s’attache donc à explorer le transport de polluants issus de déversements locaux, représentant principalement des matières chimiques ou biologiques présentes dans les eaux de ruissellement à la surface des rues et susceptibles de pénétrer dans les bâtiments, au plus près des habitants. Ce travail s’appuie sur des expériences de laboratoire conduites sur un modèle urbain représentant un réseau de rues très simplifié et à échelle réduite. Nous explorons un écoulement d’inondation en régime stationnaire, déjà étudié dans des travaux précédents. L’originalité de cette thèse réside donc dans l’étude du transport d’une pollution dans cet écoulement. Pour cela, nous mesurons les débits massiques et les champs de concentration au sein des rues, au sein d’un îlot urbain percé d’ouvertures, ainsi qu’en sortie du réseau de rues, à partir de techniques de mesure par conductimétrie et colorimétrie. Le premier objectif de la thèse est d’identifier les effets prédominants de l’hydrodynamique sur ce transport ainsi que l’influence du lieu de rejet sur la répartition de polluant dans les différentes rues. Le deuxième objectif de la thèse est d’identifier les paramètres qui gouvernent la dynamique d’une eau polluée introduite par des ouvertures dans un îlot urbain, en faisant varier le nombre d’ouvertures de cet îlot ainsi que la durée de rejet de pollution. Les principaux résultats de cette thèse sont alors (i) la distribution des débits massiques de polluant dans les différentes rues diffère de celle des débits d’eau, à la fois dans les rues et en sortie du réseau de rues. Cela s’explique par un mode de transport de polluant qui est spatialement hétérogène dans le réseau de rues. On constate que le mélange le plus intense a lieu dans les rues en aval des intersections. La diffusion turbulente et la dispersion par les courants secondaires y sont les deux modes de mélange dominant et contribuent toutes deux à l’homogénéisation de la concentration de polluant. Aux intersections, le transport des polluants est principalement causé par l’advection dans les directions longitudinale et transversale. Les panaches de polluant se fusionnent ou se séparent simplement, suivant les lignes de courant de l’écoulement moyenné en temps. En conséquence, (ii) la distribution des polluants dans le réseau de rues est très sensible à la position exacte du rejet par rapport à la position des lignes de division des bifurcations et carrefours de rues. (iii) Un modèle simplifié est proposé pour décrire et prédire la distribution de polluant aux intersections, et sa précision dépend de la capacité à localiser précisément les lignes de division. (iv) Dans le cas d’un îlot urbain (pâté de maison) poreux, le nombre d’ouvertures influence fortement les concentrations maximales atteintes au sein de l’îlot urbain, ainsi que les temps de remplissage et de résidence, ainsi que les variations spatio- temporelles des concentrations. (v) La durée de remplissage initial joue un rôle important sur le temps de vidange de l’eau polluée suite à l’arrêt de la source de pollution. En revanche, le taux de renouvellement de la pollution ou de l’eau claire est constant, indépendamment de la durée de remplissage, et est piloté exclusivement par l’hydrodynamique de l’îlot urbain poreux. (vi) Une adaptation du modèle de zone morte agrégée est enfin proposée pour valider la possibilité d’ajustement des concentrations moyennées spatialement dans l’îlot.

« Etude électrochimique du comportement semi-conducteur des couches d’oxydes sur aciers inoxydables »

Doctorant : Clément PIERRE

Laboratoire : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Cette thèse se concentre sur la compréhension et la modélisation des mécanismes de corrosion des aciers inoxydables en milieu aqueux, en particulier l’impact de la couche passive sur la cinétique d’oxydo-réduction (ou réactivité) d’un couple redox à sa surface. L’étude bibliographique montre que la réduction des couples redox est plus lente sur un acier passif que sur un matériau noble, probablement en raison du caractère semi- conducteur de la couche d’oxydes rendant plus difficile le passage des électrons de l’acier vers l’interface oxyde-solution où se déroule la réaction de réduction. Cependant, aucun consensus n’existe sur la relation entre ces propriétés et la réactivité de surface. Ce travail combine une approche expérimentale et une modélisation pour approfondir ce lien.
Sur le plan expérimental, des mesures électrochimiques ont été effectuées sur deux aciers industriels utilisés dans le recyclage du combustible nucléaire. Une étape préliminaire a permis de définir les conditions expérimentales (couple redox, pH, etc.) et d’étudier la stabilité du film passif. Les résultats montrent que, dans le domaine cathodique, la pente locale (liée au coefficient de transfert de charge cathodique (αc) varie selon la polarisation et les tendances diffèrent entre chaque acier. Des analyses chimiques (XPS) et des études des propriétés semi-conductrices (Mott-Schottky) ont montré que, bien que les compositions chimiques des couches d’oxydes soient différentes, les caractéristiques de semi-conduction sont similaires.
Enfin, une simulation avec le Diffusion Poisson Coupled Model (DPCM) a été réalisée. Ce modèle a permis de simuler des expériences de Mott-Schottky et des courbes courant- tension, reproduisant les variations de αc observées. Pour ces dernières simulations le DPCM permet d’attribuer le comportement observé à la variation de la concentration en électrons disponibles à l’interface oxyde solution avec la polarisation.

« Fabrication Additive par fil fondu d’un acier martensitique : formulation du fil et étude du déliantage/frittage »

Doctorant : Jordan LACORNE

Laboratoire INSA : MateIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Le procédé FFF (Fused Filament Fabrication) est une technique de fabrication additive pour créer des pièces métalliques à moindre coût. Il comprend plusieurs étapes : l’élaboration et la fabrication des filaments composé d’une matrice polymère et de poudre métallique, l’impression des pièces dites vertes, le déliantage consiste à retirer la matrice polymère soit par dissolution par solvant, soit par dégradation thermique, le frittage densifie les pièces laissées poreuses après le déliantage. L'entreprise Nanoe, spécialisée dans les filaments céramiques, cherche à étendre son expertise aux pièces métalliques, notamment en acier H13. L’optimisation des formulations ainsi que l’amélioration des étapes de post-impression sont primordiaux pour la technologie FFF. L'objectif principal de cette thèse était de caractériser l'ensemble du procédé afin de l'améliorer. Pour cela, les travaux de thèse se sont articulés autour de trois axes : déterminer les propriétés mécaniques et rhéologiques requises pour obtenir des filaments imprimables ; optimiser le déliantage tout en évitant l'apparition des défauts ou des contaminations ; obtenir des pièces denses.
L’étude de l’influence des modules de stockage G’ et de perte G’’ sur l’écoulement du feedstock lors de l’impression et la tenue de la pièce lors du déliantage a permis de définir les additifs utilisés dans le feedstock. Puis, L'optimisation du déliantage vise à réduire le temps de cycle tout en prévenant les défauts. Un nouveau cycle de déliantage a été mis au point, tenant compte des températures de dégradation des liants et des vitesses adaptées. Enfin, les recherches ont approfondi les paramètres de frittage de l’acier H13, en observant les effets sur la porosité et la microstructure, notamment grâce à des suivis dilatométriques et des analyses au MEB. Les résultats ont permis de mieux comprendre les mécanismes de densification et l'impact du taux de carbone sur la microstructure finale.

« IA pour des services moraux : concilier équité et confidentialité »

Doctorant : Jan AALMOES

Laboratoire : CITI

École doctorale : ED512 : InfoMaths (Informatique et Mathématiques de Lyon)

L’intelligence artificielle (IA) est de plus en plus présente dans de nombreux domaines comme la santé, les médias ou les ressources humaines.
Ces technologies induisent des risques pour la confidentialité des données personnelles des utilisateurs et peuvent introduire des biais discriminatoires rendant les décisions automatiques non équitables.
Cette inéquité est étudiée à deux niveaux dans la littérature scientifique.
L'équité individuelle cherche à s'assurer que les IA se comportent de la même manière à toutes choses égales, excepté un attribut sensible comme la couleur de peau.
L'équité de groupe, quant à elle, cherche à comprendre les différences de traitement par les IA entre les minorités.

Ma principale contribution vise à comprendre le lien entre l’équité de groupe et la confidentialité des attributs sensibles des utilisateurs.
Notre approche théorique nous a amené à démontrer que, sous un certain aspect, la confidentialité et l’équité pouvaient travailler de concert pour créer des IA plus fiables.
Nous avons validé ces résultats en suivant une approche expérimentale en étudiant des bases de données et des algorithmes d'apprentissage standards.

Pour ce faire nous commençons par présenter un état de l'art qui permet de mieux comprendre ce qu’est l’IA et quels sont les enjeux et les régulations.
Nous verrons ainsi que l’équité et la confidentialité sont des points capitaux qu’il faut prendre en compte pour un développement moral de l’IA.
Ensuite nous présenterons un nouvel algorithme d’apprentissage automatique que nous utiliserons pour construire une attaque d'inférence d'attributs sensibles.
Enfin, les données synthétiques sont utilisées pour contourner les obligations légales de protection des données personnelles.
Nous explorerons donc l’impact de l’utilisation des données synthétiques pour l'entraînement des IA sur l'inférence d'attributs sensibles.
 

« Application de l'approche Multi-barrières pour la réutilisation des eaux usées traitées : Construction d'un outil de simulation participative pour accompagner l'évaluation et la gestion des risques associés aux microorganismes pathogènes »

Doctorante : Alice-Rose THOMAS

Laboratoire : INRAE

École doctorale : ED206 : Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

Les risques sanitaires associés aux microorganismes pathogènes doivent être gérer afin d’assurer la protection de la santé publique lors de la réutilisation des eaux usées en particulier pour l’irrigation agricole. Des procédés de traitement avancés peuvent être mis en place pour atteindre les objectifs réglementaires de qualité. Cela nécessite des compétences techniques et génère des coûts économiques généralement importants. La mise en place de mesures « barrières » post- traitement est également envisagée par la réglementation pour assurer une gestion suffisante des risques même si la qualité requise n’est pas atteinte. Cette approche, encouragée par l’OMS, invite à considérer la contribution non-négligeable des équipements utilisés et des pratiques mises en place au-delà du traitement. Cela implique néanmoins une gestion plus systémique et donc multi- acteurs. Les choix de gestion auront donc des impacts sanitaires, économiques et organisationnels qui nécessitent une mise en discussion avec l’ensemble des acteurs concernés. Quelle que soit l’approche choisie, elle doit répondre à une évaluation des risques nécessitant un vaste ensemble de connaissances. Un état de l’art a tout d’abord permis de constituer une base de données comprenant un modèle d’évaluation quantitative des risques (QMRA) et des informations sur les mesures de gestion envisageables et les impacts associés. Ces éléments ont été rassemblés dans un outil de simulation participative qui permet de créer, tester et simuler collectivement des scénarios de gestion des risques. Il a été co-construit avec des acteurs du cas de Clermont- Ferrand. Cet outil a été utilisé sur trois cas concrets qui ont confirmé que la perception des risques et de leur gestion était hétérogène et qu’une mise en discussion collective était nécessaire pour partager les représentations individuelles et encourager la compréhension mutuelle. La mise en discussion des conséquences associées aux différents choix est également essentielle pour construire un choix final qui soit partagé par l’ensemble.

« Etude de la vulnérabilité sismique de structures de génie civil : dévelopement d'essais pseudo-dynamiques sous-structurés pour lacaractérisation de la perte de portance appliquée aux ouvrages poteaux-poutres »

Doctorant : Jean-Baptiste CHARRIE

Laboratoire INSA : GEOMAS

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)

La perte de portance suscite un intérêt croissant en raison du contexte socio-économique : mieux comprendre ce phénomène est nécessaire pour réduire les risques associés. De nombreux essais sont donc réalisés dans le domaine académique. Expérimentalement, les études sont rapidement limitées à cause des coûts et de la complexité de mise en place : une grande partie des essais sont réalisés de manières quasi-statique et sur des sous-assemblages. Le comportement dynamique de structure complète est généralement modélisé numériquement. Cependant, le niveau de confiance dans les modèles est très dépendant des lois de comportements et des paramètres utilisés. De plus, l’importance de la prise en compte du comportement dynamique globale des structures est soulignée aussi bien par l’état de l’art de la recherche que part les recommandations de calcul en vigueur. La méthode des essais pseudo-dynamiques sous-structurés (utilisée dans le génie parasismique) est donc ici adaptée à l’étude de la perte de portance. En se basant sur la méthode des éléments finis, la contribution des effets d’inertie et les efforts visqueux sont calculés ; seule la réponse statique équivalente de la structure est testée expérimentalement. La sous-structuration permet d’associer la partie expérimentale de la structure à un ensemble numérique plus large. L’expérience se concentre ainsi sur la partie critique de la structure, et le comportement dynamique global est tout de même reproduit. La méthode adaptée est appliquée à un portique 2D en béton armé. Les poutres de l’étage inférieur sont testées, et le reste est modélisé avec des éléments finis poutres multifibres non-linéaires. Un couplage de schéma explicite-implicite permet de garantir la convergence de l’ensemble numérique, sans compromettre la mesure expérimentale. Des mécanismes non-linéaires sont observés dans la structure physique. Les résultats d’essais sont présentés et discutés, car la méthode permet d’obtenir des informations supplémentaires sur la réponse de la structure par rapport à un essai quasi-statique.

« Systèmes de Jumeau Numérique pour les systèmes de production : application sur le manufacturing lab »

Doctorante : Xeniya PYSTINA 

Laboratoire INSA : DISP

École doctorale : ED512 : InfoMaths (Informatique et Mathématiques de Lyon)

Traditional production systems face major challenges in transitioning to Industry 4.0 (I4.0). These systems must quickly adapt to fluctuations in demand, supply chain disruptions, and equipment failures. Digitalizing company assets is crucial for seamless communication and data integration across value chains. This transformation requires reorganizing machines and equipment using technologies such as the Internet of Things (IoT), data analytics, and artificial intelligence. Modern production systems, incorporating I4.0 concepts, rely on advanced architectures like RAMI4.0 for designing and implementing Digital Twins (DT).
For these systems to operate effectively in smart production environments, they must meet interoperability, communication, and standardization requirements. However, consistent application of standards, such as ISO 23247, remains a significant challenge. Managing intelligent production systems involves addressing complex structural, operational, and organizational issues. A methodical, integrated approach is essential to align strategic objectives with field operations.
This research aims to develop a structured approach for designing, developing, and implementing DT systems aligned with companies' strategic visions and commercial goals in manufacturing industries. The approach ensures traceability of design attributes, data interoperability, real-time synchronization, and model accuracy, adapting standard DT definitions to meet specific business needs.
The framework is divided into two main parts: (1) Developing a DT system on a smart platform to test various scenarios, such as production order management and rescheduling, considering the production line hierarchy; and (2) Validating the conceptual framework by designing a DT system prototype. This approach provides recommendations on how to develop and use DTs to enhance production system performance and strategic objectives, addressing the challenges of modern production systems.

« Contribution au développement de simulateur haptique pour l’apprentissage du geste chirurgical de l’insertion d’aiguille »

Doctorant : Benjamin DELBOS 

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Au cours de cette doctorat, l'étude se concentre sur la simulation pour l'apprentissage du geste chirurgical d'insertion d'aiguille. Ce manuscrit explore plusieurs thématiques liées à la conception de simulateurs haptiques utilisant un retour de force via une interface haptique. Deux échelles de travail sont à distinguer.
La première concerne la reproduction haptique de l'interaction outil-tissu, visant à simuler les forces ressenties par le chirurgien lors de la pratique clinique. Bien que cette thématique ne soit pas spécifique à un geste particulier, elle s'applique à l'insertion d'aiguille, présente dans de nombreuses procédures chirurgicales. La problématique principale réside dans la modélisation et l’implémentation des forces d'insertion en simulation haptique, afin de reproduire fidèlement ces forces à travers une interface haptique. Parallèlement, une interface à retour de force a été conçue pour la simulation de l'insertion d'aiguille, optimisant ses performances tout en réduisant le coût des simulateurs, directement lié au coût de l'interface.
La seconde thématique concerne la reproduction de l'interaction chirurgien-patient, spécifique au geste de ponction ventriculaire, un acte courant en neurochirurgie. L'objectif est de fournir une représentation réaliste du geste pour améliorer l'apprentissage via la simulation haptique. Le simulateur développé associe un retour haptique, un retour visuel et un mannequin anatomique. Cette approche multimodale, absente de la littérature, vise à équilibrer la simulation haptique et physique, tout en garantissant la cohérence des retours sensoriels. Enfin, une méthodologie a été établie pour diversifier les cas d'études en simulation patient-spécifique, malgré les contraintes imposées par la présence du mannequin physique, en explorant des méthodes de génération de simulations adaptées.

« Strain Evolution and Mechanical Failure in SiOx-Graphite Blend Electrodes for Li-Ion Batteries: An Experimental and Simulation Study »

Doctorant : Abhilash VALISAMMAGARI

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Silicon is identified as a promising material for negative electrodes in next-generation lithium-ion batteries due to its high lithium storage capacity of 3579 mAh/g, which is nearly 10 times higher than the conventional graphite electrode capacity of 372 mAh/g. However, silicon's practical use faces critical challenges due to its volumetric expansion (up to 300%) during lithiation and delithiation cycles. This leads to mechanical degradation, such as electrode delamination and particle detachment, which diminishes performance and cycle life. To address these issues, researchers have turned to silicon oxides (SiOx), which offer a balance between high capacity and cycling stability by reducing volumetric expansion. Although SiOx has a lower capacity than pure silicon, it still outperforms graphite electrodes. However, the mechanical challenges like particle detachment are still existing, but, to a lesser extent than pure silicon. The objective of this thesis is to observe and understand the impact of particle swelling on the overall structural integrity of the electrode. Particularly, focussing on the loss of connectivity in the electrode and to extract possible information for optimizing SiOx-containing electrodes. For this puropose, experimental investigations, including synchrotron tomography and digital volume correlation, were used to gain high-resolution insights into both global and local strain field distribution within the electrode. Later, considering the granular structure of the electrodes, a particle-based method called Discrete Element Method (DEM) was employed to represent the microstructure of the electrode, and considering the insights from the experimental investigation such as the evolution of strains at the electrode scale, the coupling of particle swelling was performed to reproduce the global strain. Finally, the corresponding impact at the electrode scale swelling and the resulting detachement of the particles was assesed by conducting connectivity study on the assembly.