Static and Dynamic Multi-Robot Routing with Periodic Connectivity Maintenance, Patrolling and Network Data Delivery

Doctorant : Mihai-Ioan POPESCU

Laboratoire INSA : CITI

Ecole doctorale : ED512 Informatique Et Mathématiques de Lyon

Cette thèse aborde premièrement les problématiques du routage multi-robots (MRR) et des scénarios dynamiques de MRR (définis comme DMRR dans la thèse), où le besoin de solutions décentralisées avec des temps efficaces est requis pour pour des applications réelles. Les solutions de l'état de l'art sont confrontées à des problèmes de temps de fonctionnement ou à de mauvaises performances lorsqu'elles sont étendues à des scénarios de grande taille, par exemple avec des dizaines de robots et des centaines de cibles. Nous formalisons le problème MRR en intégrant les contraintes de saturation des coûts en proposant MRR-Sat et DMRR-Sat et en montrant qu’ils sont NP-difficiles pour différents fonctions objectifs. Nous proposons une approche par enchères parallèles à plusieurs tours (PMR) qui introduit des degrés de parallélisme variables dans l'allocation des tâches des robots. Nous évaluons empiriquement et théoriquement les performances de solutions, à l’aide de scénarios expérimentaux et de preuves de complexité. Deux autres solutions sont proposées pour les scénarios dynamiques (DMRR), qui utilisent les principes de PMR. Une approche similaire d’évaluation, par expérimentation et preuve est proposée. La troisième partie de la thèse examine le problème de la patrouille multi- robot de groupes de cibles. Nous développons une heuristique dans le cadre CBSC (Covering with Bounded Simple Cycles) qui permet de prendre en compte des limites énergétiques des robots. La quatrième partie de la thèse se concentre sur le problème du maintien de la connectivité dans le réseau de robots qui exécutent la tâche de patrouille. Nous proposons des algorithmes efficaces qui peuvent maintenir la connectivité intermittente ou périodique de la flotte de robots, afin d'assurer la communication entre robots et l’acheminement des données collectées à une station finale. Enfin, un simulateur d'agents mobiles est développé dans le cadre de ce travail afin de faciliter la visualisation et l'étude des algorithmes.

Prédiction des parcours sous l'angle médico-économique : une approche basée sur l'intelligence artificielle

Doctorante : Alice MARTIN

Laboratoire INSA : DISP

Ecole doctorale : ED512 Informatique et mathématiques de Lyon

Les structures de santé rencontrent des difficultés structurelles dans l'organisation des soins et la prise en charge de leurs patients, notamment chroniques. Ces blocages sont multiples - prévalence croissante des maladies chroniques et vieillissement de la population, fracture territoriale dans l'accès aux soins, pression sur les coûts et l'efficience - et peuvent avoir un fort impact sur les perspectives de santé des populations. Les organisations, en particulier les hôpitaux, tentent de surmonter ces barrières en optimisant les parcours patients et de soins. Au sein de ces trajectoires, l'un des leviers d'efficience est de pouvoir comprendre quels aspects du profil d'un patient sont corrélés aux événements ayant un impact sur le recours et la consommation de soins, afin de pouvoir les anticiper.
Les récentes avancées technologiques en matière d'IA permettent d'étudier une grande variété de parcours et d'analyser un large panel de variables. Dans ces travaux, nous souhaitons représenter et analyser les parcours dans plusieurs contextes cliniques, en utilisant les données médico-économiques et de facturation comme proxy pour reconstruire la trajectoire individuelle d'un patient. L'objectif final est d'alléger les pressions opérationnelles sur les ressources hospitalières tout en améliorant le confort des soins et la qualité de la prise en charge.
Nous présentons deux études de cas : la prédiction du parcours d'une cohorte en vie réelle de patients atteints de troubles neurocognitifs et la prédiction des soins d'un hôpital à domicile en France. Nous avons décrit les trajectoires et étudié les principaux facteurs de variation en utilisant les caractéristiques cliniques des patients, y compris l'évolution de la maladie. Nous avons ensuite utilisé ces mêmes facteurs pour prédire la variation du parcours des patients. Notre méthodologie s'articule autour de deux étapes : l'identification de groupes médico-économiques de patients pertinents, par le biais d'un regroupement par exemple, puis la prédiction des soins requis au fil du temps. Notre modèle a permis de prédire les variations des parcours avec une précision allant de 60,5
% à 90 % selon les scénarios.

--------------

Health care providers are experiencing difficulties in the organization of care and the management of their patients, particularly chronic ones. These block roads are multiple, including the increasing prevalence of chronic diseases and aging of the population, territorial divide in access to care, pressure on costs and efficiency - and can have a strong impact on the health prospects of populations. Healthcare organizations, particularly hospitals, are trying to overcome these difficulties by optimizing patient and care pathways as a whole. Within these trajectories, one of the levers for efficiency is to be able to understand which aspects of a patient's profile are correlated with the events that have an impact on the use and consumption of care, so that they can be anticipated. Recent technological advances in AI make it possible to study a wide variety of care pathways and to analyze a broad range of variables. In this work, we want to represent and analyze the pathways in several clinical contexts, using billing and medico-economic data as a proxy to reconstruct the individual trajectory of a patient. The ultimate goal is to relieve the operational pressures on hospital resources while improving the comfort of patient care.
We present two case studies: journey prediction from a real-life cohort of patients with neurocognitive disorders and care prediction from a homecare hospital in France. We portrayed the trajectories and investigated the main drivers of variation using patient clinical characteristics including disease progression. We then used the same drivers to predict patient journey variation. Our methodology was built on two steps: identifying relevant medico-economical groups of patients, through clustering for example – then predicting the variation of care required through time. Our model allowed to predict patient journey variation with an accuracy ranging from of 60.5% to 90% depending on scenarios.
 

Control of the Final Morphology of Epoxy-Thermoplastic Blends and their Mechanical Properties

Doctorante : Anne COLOIGNER

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Thermosetting epoxy resins are used to lighten materials in the aerospace and automotive industry. Nevertheless, high crosslink density makes the resins brittle. Thermosets can be toughened by the dissolution of a thermoplastic into resin monomers which phase separates during the curing cycle. By controlling the final morphology of the resin and the associated length scale, the mechanical properties can be improved for composite applications. Previous works allowed to identify two key parameters for controlling the morphology of epoxy-thermoplastic blends. The interaction parameters between the constituents control the onset of phase separation during the crosslinking reaction and the corresponding conversion stage. The glass transition temperature of the blend at phase separation controls the growth rate of the morphology. By considering an appropriate range for these two parameters, it appeared possible to prepare toughened epoxy resins with tailored morphologies. Polyetherimides of different compositions with a wide range of glass transition temperatures (Tg) and solubility parameters have been synthesized. These systems allowed to consider various affinities with the thermosetting precursors and different Tg’s in order to synthesize epoxy-thermoplastic resins with adequate final morphologies. In addition to these tailored polyetherimides, a commercial polyetherimide (Ultem 1000) is studied. Finally, various morphologies such as sea-island thermoplastic particles and co-continuous structures have been observed. The fracture toughness of these systems has been also studied by measuring the released energy during a crack propagation. The objective was to improve our understanding regarding the control of the morphology by preparing new epoxy-thermoplastic blends with enhanced mechanical properties. By varying the compatibility between the constituents and the Tg of various polyetherimides, we have controlled the onset of phase separation in these systems, leading to various morphologies of different thermoplastic sizes. Finally, the mechanical properties of the thermoplastic-modified epoxy resins are optimized when co-continuous morphologies of hundreds of nanometers are obtained.

 

Identification quantitative de caractéristiques physiques des interfaces solides en lien avec les propriétés tribologiques

Doctorante : Alizée BOUCHOT

Laboratoire INSA : LaMCos
Ecole doctorale : ED162 Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Ce travail de thèse vise à mieux appréhender le frottement dans les contacts non lubrifiés (frottement sec). Jusqu’ici il était possible de construire des scenarii quant à la l’histoire du contact, nous nous proposons ici d’étayer ces derniers à l’aide de quantifieurs relatifs à la morphologie de l’interface, que l’on nomme troisième corps.
Dans ce but, on va chercher à relier les caractéristiques morphologiques aux données rhéologiques tel que le coefficient de frottement (COF). Pour cela il faut procéder en quatre étapes : expérimentations tribologiques, analyse post-mortem, traitement et analyse des images et enfin recherche de corrélations morpho-tribo.
L’expérimentation est réalisée sur un tribomètre de type pion-disque permettant l’acquisition du COF, pour plusieurs conditions de test. Les analyses post-mortem se composent de l’analyse des données expérimentales et de l’acquisition des images de l’interface à l’aide d’un microscope électronique à balayage.
Les images sont alors divisées en 2 catégories, les images de particules qui vont subir une segmentation et les images de texture sur lesquelles seront calculées les matrices de cooccurrence. Il est alors possible d’extraire des caractéristiques de ces 2 catégories, des métriques relatives à la taille et la forme des particules segmentées et des métriques statistiques d’ordre deux des matrices de cooccurrence.
Toutes ces données servent à caractériser le troisième corps, nous allons donc chercher à les relier au COF mesuré. Pour cela un algorithme de machine learning de type random forest (RF) est mis en place. La RF va permettre de réaliser des prédictions du COF à partir des caractéristiques de l’interface, et va également permettre de déterminer quels sont les caractéristiques pertinentes menant à cette prédiction. Il sera alors possible d’élaguer la liste des caractéristiques pour ne garder que les plus représentative du frottement.

Printing smart sensor and actuator coatings using piezoelectric composites

Doctorant : Van-Cuong NGUYEN 

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED162 : MEGA (Mécanique, Énergétique, Génie civil et Acoustique)

Le concept de matériaux et structures intelligents est devenu de plus en plus présent dans différentes industries et notamment dans le domaine l'aéronautique et de l’industrie. Le développement actuel de ces matériaux favorise une réelle intégration de fonctionnalités à la structure hôte, cela va de pair avec les procédés de mise en œuvre de la fabrication additive (FA) qui permettent ainsi de passer d'équipements greffés à des équipements complètement intégrés à la structure hôte. De fait, dans les années à venir, la FA de matériaux électroactifs sera de plus en plus employée pour la réalisation de fonctions mécatroniques hybrides qui combineront à la fois la structure mécanique, des circuits intégrés en silicium, des pistes conductrices et des matériaux couplés imprimés, intégrant ainsi des fonctionnalités, telles que des capteurs, ou actionneurs.
Dans le cadre des travaux de thèse réalisés en partenariat avec la société Arc en Ciel Sériegraphie, le développement et l’intégration de composites piézoélectriques ont été effectué. En effet les composites piézoélectriques sont une alternative à l’utilisation des céramiques ferroélectriques (PZT, BaTiO3) en alliant une mise en œuvre aisée et un coup relativement faible. Il est possible d’allier les bonnes propriétés mécaniques des polymères avec les fortes propriétés électroactives des céramiques. Une approche d’intégration et caractérisation a été mise en œuvre permettant la mise en place de
«design rules » et ainsi une approche de type « Material and Design ».Afin de juger du potentiel applicatifs les composites piézoélectriques ont été mise en œuvre pour la réalisation du contrôle de structure de type roulement à billes et aussi pour la réalisation d’interface haptique.es circuits intégrés en silicium, des pistes conductrices et des matériaux couplés imprimés, intégrant ainsi des fonctionnalités, telles que des capteurs, ou actionneurs.

Description and compilation of ad-hoc arithmetic operators in the context of High-Level Synthesis

Doctorant : Luc FORGET

Laboratoire INSA : CITI
Ecole doctorale : ED512 : Infomaths

Les techniques de synthèse de haut niveau permettent aux programmeurs non spécialistes de générer des descriptions de circuits numériques. Cependant, les outils existants ne supportent qu'un petit nombre de formats numériques et un petit nombre d'opérateurs standards. Cette thèse présente plusieurs techniques pour rajouter le support de nouveaux formats et de nouveaux opérateurs. Dans un premier temps, l'étude se focalise sur ce qui est réalisable en se restreignant aux fonctionnalités de métaprogrammation du standard C++ supporté par les outils HLS. Une bibliothèque d'opérateurs élémentaires pour les formats IEEE-754 et posit est proposée. Elle sert de base à une étude de cas comparant le coût matériel de l'implémentation de ces deux formats. L'implémentation d'évaluateurs de fonctions mathématiques arbitraires se heurte aux limites de la première approche. Dans un second temps, l'étude se porte sur les possibilités offertes par la modification du flot de compilation HLS, avec comme objectif de supporter cette fonctionnalité. Une bibliothèque permettant au développeur de spécifier des opérateurs pour approximer des fonctions arbitraires en précision arbitraire est présentée. Deux approches pour l'interfaçage de cette bibliothèque avec les outils de HLS sont proposées, selon que l'on a ou pas accès aux sources des compilateurs HLS.

Étude de la criticité à amorçage de fissure de la liaison aube- disque de turbomachine sous chargement de fretting-fatigue

Doctorant : Alexis HINGUE

Laboratoire INSA : LaMCos
Ecole doctorale : ED162 Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Cette thèse porte sur la prédiction de la durée de vie de l'attache aube-disque sous chargement de fretting-fatigue. L'étude est consacrée à l'influence de la composante LCF du chargement.

Une méthodologie d'identification \emph{in-situ} du coefficient de frottement pendant un essais de fatigue LCF à température ambiante sur éprouvette queue d'aronde a été mise en place. L'approche repose sur une méthode de recalage par éléments finis (FEMU), où les quantités d'intérêt sont les champs de déplacements en surface de l'éprouvette, mesurés par corrélation d'images numériques. La mise en donnée du problème numérique est définie par des hypothèses simplificatrices concernant les conditions aux limites. Les biais introduit par ces hypothèses sont quantifiés par l'utilisation d'essais virtuels.

Deuxièmement, des essais de traction cycliques ont été réalisés sur des éprouvettes queue d'aronde en Udimet 720 et instrumentées par corrélation d'images numériques. L'effort de traction est appliqué linéairement entre deux niveaux de charge. Trois grandeurs d'intérêt ont été considérées pour l'identification du coefficient de frottement moyen : les composantes horizontales et verticales du champ de déplacements et l'amplitude de glissement sur le cycle, mesurés en surface. Les essais ont mis en évidence une augmentation du coefficient de frottement au cours des cycles de chargement. L'essai est caractérisé par la transition d'un régime de glissement total à un régime de glissement partiel survenant au alentours du cycle 5~000. L'identification du coefficient de frottement en régime de glissement partiel n'est plus possible précisément car la sensibilité des champs de déplacements au coefficient de frottement devient très faible.

Enfin, des critères de fatigue classiques ont été implémentés et calculés pour des essais de traction sur éprouvettes queue d'aronde. La comparaison des prédictions des critères avec les observations expérimentales confirme la contribution prépondérante du cisaillement sur l'amorçage de fissure par rapport au terme de pression hydrostatique.

Generalization of 3D meso-structures for a micro-structural approach of soil behavior

Doctorant : Joao GONCALVES DE OLIVEIRA CHUEIRE

Laboratoire INSA : GEOMAS

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

In the field of granular materials, a link between the microscopic variables (contact force and displacement) and macroscopic variables (stress and strain) requires the usage of structures of the mesoscopic scale. A well-known mesostructure is the so-called Loops, geometrical figures formed by grains in contact. These structures tessellate the material domain into elementary partitions that account for the physics of granular materials. However, the definition of Loops is restricted to 2D conditions. In this thesis, we propose a definition and a procedure to extend the notion of Loops to the three-dimensional case. A weighted Delaunay Tessellation is used to divide a 3D specimen into tetrahedra, which are later merged to create the sought structures. The merging criterion is defined consistently with the one used for creating Loops in 2D. As the 3D structures do not match the mathematical definition of Loops, they will henceforth be called Clusters. To test this extension , a series of 3D DEM triaxial tests were performed in the software LIGGGHTS. Then, an application was developed to analyze the properties of Clusters during the loading path. It is shown that the average void ratio and deformability of Clusters increase with their size.
Furthermore, it is observed that the number of dense Clusters increases during macroscopic volumetric contraction whereas the number of loose Clusters increases during dilation.
Later, a relation between force chains, shear bands and Clusters is established. Finally, Loops and Clusters characteristics are compared, validating Clusters as extensions of Loops in 3D conditions.

 

Soutenance publique

Maître de conférences : Jilles Steeve DIBANGOYE

Laboratoire INSA : CITI

Rapporteurs :

• M. François CHARPILLET, Directeur de Recherche (DR) INRIA Nancy Grand-Est
• M. Jérôme LANG, Directeur de Recherche (DR) CNRS Université Paris-Dauphine
• Mme Aurelie BEYNIER, Maître de Conférences (HDR) Sorbonne Université

Jury :

• M. François CHARPILLET, Directeur de Recherche (DR) INRIA Nancy Grand-Est,
• Rapporteur
• M. Jérôme LANG, Directeur de Recherche (DR) CNRS Université Paris-Dauphine,
• Rapporteur
• Mme Aurelie BEYNIER, Maître de Conférences (HDR) Sorbonne Université,
• Rapporteur
• M. Abdel-Illah MOUADDIB, Professeur Université de Caen Basse-Normandie,
• Examinateur
• M. Vincent ANDRIEU, Directeur de Recherche (DR) CNRS, Université de Lyon 1,
• Examinateur
• Mme Christine SOLNON, Professeur INSA de Lyon, Marraine

Aeroelastic Reduced-Order Modeling and Active Control of Flexible Aircraft

Doctorant : Hugo FOURNIER

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Cette thèse porte sur la modélisation aéroélastique d'un avion, et à son contrôle actif. En utilisant les surfaces de contrôle de l'avion de manière appropriée, il est possible de réduire les charges dues aux rafales de vents et à la turbulence. Cela permet de réduire la masse des structures responsables de maintenir l'intégrité de l'avion, et donc d'améliorer les performances du design global. L’utilisation d’un lidar, un senseur permettant de mesurer la vitesse du vent plusieurs dizaines de mètres à l’avant de l’avion, est envisagée pour améliorer les capacités de réduction de charges. De plus, les futurs avions devraient avoir des ailes plus allongées et flexibles, ce qui réduit la traînée mais crée des effets aéroélastique néfastes. Le flottement est une instabilité pouvant amener à une destruction de l'aile, à haute vitesse. Il peut être annulé ou au moins déplacé en dehors de l'enveloppe de vol grâce au contrôle actif des surfaces de contrôle. Ces deux techniques ont été développées dans la thèse au moyen de diverses techniques de design de contrôleurs, principalement basées sur la synthèse robuste H-infini et ses variantes. Des techniques dédiées pour modéliser la dynamique aéroélastique de l’avion ont été développées. Pour obtenir des modèles d’états d’ordres réduits, avec des contraintes sur les pôles. Pour ce faire, une méthodologie basée directement sur la réponse fréquentielle aéroélastique de l’avion est employée, par opposition aux techniques classiques basées sur des équations mêlant l'aérodynamique et la dynamique structurelle, qui amènent en général à des modèles d’ordre importants, inutilisables par les techniques modernes de synthèse de contrôleurs.