Plusieurs laboratoires de robotique à travers le monde travaillent sur le développement de stratégies innovantes pour la navigation autonome de véhicules élémentaires ou en convoi. Dans ce contexte, nos travaux de thèse s’inscrivent principalement dans le cadre de la navigation en formation d’un groupe de véhicules dans des environnements structurés. La complexité de ces systèmes multi-robots ne permet pas l’utilisation directe de techniques classiques de perception et/ou de contrôle/commande. Nos travaux ont consisté à décomposer le contrôle global, dédié à la réalisation de la tâche complexe, en un ensemble de comportements/contrôleurs élémentaires précis et fiables (e.g., évitement d’obstacles, suivi de trajectoire, attraction vers une cible, navigation en formation, etc.). Ces comportements lient les différentes informations fournies par les capteurs aux actions des véhicules. Pour garantir les critères de performances imposés à notre architecture de contrôle/commande (e.g., stabilité, robustesse et/ou borner les erreurs maximales), les potentialités des systèmes hybrides ont été considérées. Cette architecture de contrôle a été validée, dans un premier temps, sur des véhicules pris individuellement, en utilisant notamment une stratégie de navigation sûre et flexible utilisant des points de passage. Cette navigation permet au véhicule d’effectuer différentes manœuvres entre ces points de passage (pour éviter par exemple des obstacles dans l’environnement) et ce sans avoir à planifier/re-planifier des trajectoires globales dans l’environnement. Une loi de commande spécifique, permettant une attraction stable (au sens de Lyapunov) et précise vers des cibles statiques ou dynamiques a été par ailleurs développée. Cette loi de commande garantit la convergence du véhicule vers chaque point de passage tout en garantissant des trajectoires sûres. Par ailleurs, un algorithme nommé OMWS (pour Optimal Multi-criteria Waypoint Selection) a été proposé pour sélectionner les configurations optimales des points de passage dans l’environnement. Cet algorithme permet de garantir des mouvements sûrs et fiables du véhicules en tenant compte des contraintes et incertitudes liées à la navigation du véhicule. Par la suite, l’architecture de contrôle/commande proposée a été étendue aux systèmes multi-robots en utilisant la combinaison d’une approche leader-suiveur et comportementale. Un important aspect de la navigation multi-robots est la reconfiguration dynamique de la formation en fonction du contexte de la navigation (e.g., passer d’une configuration triangle vers ligne si la largeur de la voie de navigation ne suffisait pas). Ainsi, des stratégies de reconfiguration dynamique ont été proposées, permettant de garantir la sureté de la formation même au moment des transitions entre configurations. Il est à noter par ailleurs que des métriques spécifiques ont été proposées pour quantifier la fiabilité et la robustesse des stratégies multi-robots proposées. Plusieurs simulations et expérimentations avec des véhicules urbains (VIPALABs) nous ont permis de confirmer la viabilité et efficacité des architectures de contrôle/commande proposées pour la navigation en formation d’un groupe de VIPALABs. / Beyond the interest of robotics laboratories for the development of dedicated strategies for single vehicle navigation, several laboratories around the world are more and more involved in the general challenging field of cooperative multi-robot navigation. In this context, this work deals with the navigation in formation of a group of Unmanned Ground Vehicles (UGVs) dedicated to structured environments. The complexity of this Multi-Robot System (MRS) does not permit the direct use of neither classical perception nor control techniques. To overcome this problem, this work proposes to break up the overall control dedicated to the achievement of the complex task into a group of accurate and reliable elementary behaviors/controllers (e.g., obstacles avoidance, trajectory tracking, target reaching, navigation in formation, formation reconfiguration, etc.). These behaviors are linked to different information given by the sensors to the actions of vehicles. To guarantee the performances criteria (e.g., stability, convergence, state errors) aimed by the control architecture, the potentialities of hybrid controllers (which controlling continuous systems in the presence of discrete events) are considered. This control architecture is validated for a single vehicle to perform safe and flexible autonomous navigation using an appropriate strategy of navigation through suitable set of waypoints. This flexible navigation allows different vehicle maneuvers between waypoints (e.g., target reaching or obstacle avoidance) without using any trajectory planning nor replanning. The designed control law based on Lyapunov synthesis guarantees the convergence to assigned waypoint while performing safe trajectories. Furthermore, an algorithm to select suitable waypoints’ positions, named Optimal Multi-criteria Waypoint Selection (OMWS), in structured environments while taking into account the safe and reliable vehicle movements, and vehicle constraints and uncertainties is proposed. Subsequently, the control architecture is extended to Multi-Robot Formation (MRF) using a combination of Leader-Follower and behavior-based approaches. An important cooperative MRS issues in this thesis is the dynamic reconfiguration of the formation according to the context of navigation (e.g., to pass from a triangle configuration towards a line if the width of the navigation way is not sufficient). The proposed Strategy for Formation Reconfiguration (SFR) guarantees the stability and the safety of the MRS at the time of the transitions between configuration (e.g., line towards square, triangle towards line, etc.). Therefore, a safe, reactive and dynamic MRF is obtained. Moreover, the degrees of multi-robot safety, stability and reliability of the system are quantified via suitable metrics. Simulations and experiments using urban vehicles (VIPALABs) of the Institut Pascal laboratory allow to perform exhaustive experiments of the proposed control architecture for the navigation in formation of a group of UGVs.

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Mémoire de maîtrise présenté en vue de l'obtention de la maîtrise en psychologie (M. Sc) / Les symptômes maternels de stress, d’anxiété et de dépression durant la grossesse entraînent des altérations hormonales susceptibles d’affecter le développement fœtal de zones cérébrales et de mécanismes neurologiques impliqués dans l'excitabilité cérébrale et le traitement sensoriel. En période postnatale, ces symptômes de détresse maternelle peuvent affecter l’interaction mère-enfant, influençant le développement comportemental de l'enfant. Les effets de la santé mentale maternelle sur le développement sensoriel de l’enfant ayant été peu explorés, l’objectif est d’étudier la relation entre les symptômes maternels prénataux et postnataux de dépression, d'anxiété et de stress lié à la pandémie de Covid-19, et l'évitement sensoriel chez l'enfant à 18 mois. Les données longitudinales de 409 participantes suivies durant la pandémie de Covid-19 ont été utilisées. Celles-ci ont complété des questionnaires durant leur grossesse et jusqu’à 18 mois après leur accouchement. La dépression, l'anxiété et le stress lié à la pandémie de Covid-19 ont été évalués durant la grossesse et à 18 mois postnatal par l’Edinburgh Postnatal Depression Scale (EPDS), le Generalized Anxiety Disorders 7-item Scale (GAD-7) et une échelle évaluant sur 10 points le niveau de stress ressenti par rapport à la pandémie de Covid-19. L'évitement sensoriel chez l’enfant a été évalué à 18 mois postnatal par le questionnaire Infant/Toddler Sensory Profile – Second Edition. Des corrélations de Pearson et des régressions multiples ont mesuré les associations entre les symptômes de détresse maternelle et l'évitement sensoriel chez l'enfant. La dépression et l'anxiété maternelles prénatales et à 18 mois postnatal étaient significativement corrélées à l'évitement sensoriel chez l'enfant (p<0,05). Ensemble, ces variables expliquent 10,7% (F=2.79, p<.05) de la variance de l'évitement sensoriel chez l'enfant. Ces résultats soutiennent l'effet contributif de certains symptômes prénataux et postnataux de détresse maternelle sur le développement sensoriel de l’enfant. Des recherches supplémentaires seront nécessaires afin d’explorer les mécanismes biologiques de la santé mentale maternelle et des aspects comportementaux chez l’enfant susceptibles d’influencer son développement sensoriel. / Maternal symptoms of stress, anxiety and depression during pregnancy lead to hormonal alterations that can affect fetal development of brain areas and neurological mechanisms involved in cerebral excitability and sensory processing. In the postnatal period, these symptoms of maternal distress can affect mother-child interaction, influencing the child's behavioural development. As the effects of maternal mental health on the child's sensory development have been little explored, the aim is to investigate the relationship between maternal pre- and postnatal symptoms of depression, anxiety and stress related to the Covid-19 pandemic, and child sensory avoidance at 18 months. Longitudinal data from 409 participants followed during the Covid-19 pandemic were used. They completed questionnaires during pregnancy and up to 18 months after delivery. Depression, anxiety and stress related to the Covid-19 pandemic were assessed prenatally and at 18 months postnatal using the Edinburgh Postnatal Depression Scale (EPDS), the Generalized Anxiety Disorders 7-item Scale (GAD-7) and a 10-point scale assessing the level of stress felt related to the Covid-19 pandemic. Child sensory avoidance was assessed at 18 months postnatal using the Infant/Toddler Sensory Profile - Second Edition questionnaire. Pearson correlations and multiple regressions measured the associations between maternal distress symptoms and child sensory avoidance. Prenatal and 18-month postnatal maternal depression and anxiety were significantly correlated with child sensory avoidance (p<0.05). Together, these variables explained 10.7% (F=2.79, p<.05) of the variance of child sensory avoidance. These results support the contributory effect of certain prenatal and postnatal maternal distress symptoms on child sensory development. Further research is needed to explore the biological mechanisms of maternal mental health and behavioural aspects of children that may influence their sensory development.

L’objectif de cette thèse est de jeter un éclairage sur ce qui influence une personne, ayant peur d’être abandonnée, à s’automutiler. Les modèles psychologiques des relations d’objet et de l’attachement ont montré empiriquement que la peur de l’abandon, via les concepts de l’anxiété d’attachement et de la dépendance, est associée à l’automutilation. Cependant, la nature de cette relation n’a jamais été approfondie. Après avoir défini et mis en contexte la notion d’automutilation, une explication théorique est proposée à l’aide des approches des relations d’objet, de l’attachement et de l’évitement expérientiel des fonctions de l’automutilation, afin de mieux comprendre ce qui influencerait une personne dépendante à s’automutiler. La présente thèse suggère que les individus dépendants et ayant peur d’être abandonnés s’automutileraient afin de gérer leurs émotions négatives liées à la perception d’un abandon, d’une séparation ou d’un rejet. Cette influence de l’automutilation se ferait, théoriquement, à travers des fonctions de régulation intrapersonnelle et interpersonnelle, telles que la régulation affective, l’autopunition et l’influence interpersonnelle, mais également par une fonction d’évitement de l’autonomie. Ces fonctions permettraient de préserver les représentations internes d’une relation de dépendance et ainsi réduire les sentiments subjectifs de l’abandon. Pour appuyer empiriquement ces propositions, 58 participants consultant en clinique externe de psychologie ont, entre autres, complété le Questionnaire des expériences dépressives (DEQ), l’Inventaire d’énoncés sur l’automutilation (ISAS) et l’Entrevue diagnostique révisée pour les troubles limites de la personnalité (DIB-R). Les résultats montrent qu’une dépendance, de type anaclitique, et la fréquence de l’automutilation sont associées et que leur relation peut s’expliquer par les effets médiateurs des difficultés sur les plans affectifs et interpersonnels. En outre, la dépendance anaclitique apparaît être liée spécifiquement à différentes fonctions de l’automutilation, soit symboliser la détresse interne, l’antidissociation, l’influence interpersonnelle ainsi que l’évitement de l’autonomie. Ces résultats suggèrent que la dépendance anaclitique favorise l’expérience de difficultés affectives et interpersonnelles qui augmentent la fréquence de l’automutilation. En outre, ils suggèrent que l’automutilation, associée à ce type de dépendance, servirait à réguler des états affectifs internes, influencer l’environnement interpersonnel et éviter l’autonomie. Quant à elles, la régulation affective et l’autopunition sont présentes chez une majorité des personnes qui s’automutilent, sans égard à leur niveau de dépendance. Ainsi, si ces fonctions sont bien liées théoriquement à la dépendance derrière l’automutilation de certains individus, les analyses rappellent qu’elles contribuent également à l’automutilation chez des personnes n’ayant pas de crainte particulière de l’abandon. / The objective of this thesis is to shed light on what may lead a dependent person who fears abandonment to engage in self-injury. Psychological models of object relations and attachment have shown that self-injury is empirically associated with fear of abandonment via dependency and attachment anxiety. However, the nature of this relationship has yet to be thoroughly explained. Having defined and contextualised self-injury, a theoretical explanation is proposed through object relations, attachment and experiential avoidance functions of self-injury, all with the goal of better understanding what can influence a dependent individual to self-injure. This thesis suggests that individuals who are dependent and afraid of being abandoned might use self-injury to regulate negative emotions associated with their perception of abandonment, separation or rejection. Theoretically, this influence of self-injury could occur through intrapersonal and interpersonal functions, such as affect regulation, self-punishment and interpersonal influence, as well as autonomy avoidance. These functions might serve to protect internal representations of dependence and thus, reduce subjective feelings of abandonment. To test these theoretical proposals, 58 outpatient participants completed, among other measures, the Depressive Experiences Questionnaire (DEQ), the Inventory of Statements About Self-Injury (ISAS) and the Revised Diagnostic Interview for Borderlines (DIB-R). Results showed a relationship between anaclitic neediness and self-injury frequency, which was explained by mediator effects of both affective and interpersonal problems. Furthermore, this type of dependency was found to be specifically associated with marking distress, anti-dissociation, interpersonal influence and autonomy avoidance functions of self-injury. These findings suggest that anaclitic neediness favours the experience of affective and interpersonal difficulties, which in turn increase the frequency of self-injury. Results also suggested that self-injury associated with this type of dependency might serve to regulate internal affective states, to influence the interpersonal environment and to avoid autonomy. Affect regulation and self-punishment functions were endorsed by the majority of individuals who self-injured, regardless of their level of dependence. While these two functions are associated in theory to dependency issues that underpin self-injury for some individuals, analyses indicated that these functions also contribute to self-injury behaviour in people who do not fear abandonment specifically.

En Europe, les prairies permanentes représentent l’une des principales formes d’utilisation des terres. La durabilité des services rendus par ces écosystèmes est étroitement liée à la structure et au fonctionnement des communautés végétales qui les composent. La stabilité des processus écosystémiques, sous l’impact des fluctuations environnementales, va alors dépendre des mécanismes de résistance et de récupération propres à ces communautés. Les risques d’apparition d’extrêmes climatiques liés à l’évolution du climat, rendent nécessaire une adaptation des agro-écosystèmes à cette fluctuation climatique accrue. Cela implique de mieux comprendre les mécanismes par lesquels la variabilité du climat influe sur le fonctionnement et la structure des communautés végétales, et comment les pratiques agricoles impactent ces réponses. Cette thèse à pour objectif d’évaluer la vulnérabilité des prairies permanentes à un extrême climatique combinant une canicule et une sécheresse, dans un contexte de changement climatique. Afin d’identifier et de caractériser les mécanismes intrinsèques de la résistance à la sécheresse des communautés végétales, une démarche expérimentale mobilisant les concepts de l’écologie fonctionnelle a été développée. Les effets de la variabilité climatique sur la structure (diversité, composition) et le fonctionnement des communautés végétales ont d’abord été analysés in situ pendant 3 ans, après simulation d’une canicule-sécheresse dans les conditions climatiques actuelles et sous climat modifié (réchauffement et réduction des précipitations). Pour évaluer l’influence de la gestion sur la réponse des communautés végétales aux perturbations climatiques, deux fréquences de fauches ont été appliquées. Ce travail présente l’originalité d’avoir étudié conjointement le fonctionnement aérien et souterrain de la végétation. Sont considérées la production de biomasse, la démographie et la durée de vie des racines, afin de déterminer le rôle du système racinaire dans la résistance et la récupération des communautés végétales après une canicule sécheresse. Nous montrons un effet direct de l’extrême climatique sur la sénescence aérienne et la croissance racinaire dans les deux régimes de fauches. En réponse à un déficit hydrique modéré, la stratégie d’évitement au stress par le maintien de la croissance racinaire a été favorisée par des fauches non fréquentes. A l’automne suivant, les précipitations ont permis un reverdissement rapide de la couverture végétale et la production de nouvelles racines. Une baisse significative de la production de biomasse aérienne annuelle sous climat modifié, et suite à l’application de l’extrême climatique, a été observée pendant les 3 années d’expérimentation. En revanche, la production racinaire n’a pas été significativement affectée. Néanmoins une acclimatation de la croissance racinaire a été mise en évidence un an après l’extrême, en particulier dans les communautés de fauches non fréquemment. Ces changements de fonctionnement aériens et souterrains peuvent s’expliquer en partie par des modifications de la composition botanique. De plus, en réponse aux perturbations climatiques, la mortalité racinaire a été interrompue. Ces résultats inattendus ont donc entrainé une augmentation de la durée de vie des racines et suggèrent un effet négatif sur le turnover racinaire et les cycles biogéochimiques. Une expérimentation complémentaire à l’étude in situ a été menée en conditions semicontrôlées pour déterminer les mécanismes intrinsèques de la résistance à la sécheresse de la prairie permanente. Des traits morphologiques et physiologiques, aériens et souterrains, ont été mesurés sur des monocultures de sept populations prairiales en conditions optimales, puis en conditions de sécheresse afin de caractériser leurs stratégies de survie. Les résultats ont mis en évidence le rôle du système racinaire dans la survie des plantes. (...) / In Europe, grassland is one of the dominant forms of land use. The sustainability of their environmental and ecological services is linked to plant community structure and functioning. Under climatic constraints, the stability of community functioning will depend on plant resistance and recovery mechanisms. Actually, increase in climate variability linked to climate change, is expected to lead to more frequent and more intense climate extremes.Therefore, it is necessary to adapt ecosystem management to climate variability increase. This imply to improve our knowledge on mechanisms by which climate drivers modify the structure and the functioning of plant community, and to determine how the agricultural practices affect these responses. Therefore, this study aimed to characterise vulnerability of perennial grassland to combined heat wave and severe drought and to determine mechanisms of plant community resistance to drought. For this, an experimental approach was developed based on the functional ecology concepts. The effect of climate variability on the structure (diversity and composition) and the functioning of plant community were first analyzed in situ during three years. Microclimate of the vegetation was manipulated to simulate warming, precipitation reduction, heat wave combined to severe drought. To analyse the role of grassland management in plant community responses to climate disturbances, two contrasted cutting frequencies were applied. This work has the originality to analyse both above- and below-ground processes of plant community. Thus, above- and below-ground biomass production, root demography and longevity were considered to determine the role of root system in resistance and recovery of plant community after a severe drought. In both cutting frequencies, our results showed direct effects of climate extreme on leaf senescence and root growth. However, in response to moderate water deficit, drought avoidance through maintenance of root growth was favoured by infrequent cutting frequency. After rehydration in the following autumn, canopy greenness and root growth rapidly recovered. Annual above-ground production was significantly decreased by climate change and climate extreme during the three years of the experiment. However no effect was observed on root production but acclimation of root growth was observed one year after the climate extreme, particularly under infrequent cuts. Plant community structure was significantly modified be climate disturbance and could explain change in community functioning. In addition, root mortality was surprisingly decreased in response to climate disturbance that consequently increases root longevity. These results suggest negative effects of climate disturbances on root turnover with lasting effects on nutrient cycles.To determine intrinsic mechanisms of plant community for drought resistance and recovery, an additional experiment was carried out in semi-controlled conditions. Therefore, morphological and physiological leaf and root traits were measured under full irrigation, moderate and severe drought on monocultures of seven perennial grassland populations to study plant functional strategies of drought survival. Roots were implicated in drought avoidance by maintaining water uptake and drought tolerance by accumulating sucrose and/or fructans. Morphological and physiological root traits were thus correlated to plant survivalafter drought. (...)

L'objectif du travail proposé est de concevoir et commander un groupe des robots mobiles similaires et d'architecture simple appelés m-bots (mono-robots). Plusieurs m-bots ont la capacité de saisir ensemble un objet afin d'assurer sa co-manipulation et son transport quelle que soit sa forme et sa masse. Le robot résultant est appelé p-bot (poly-robot) et est capable d'effectuer des tâches de déménageur pour le transport d'objets génériques. La reconfigurabilité du p-bot par l'ajustement du nombre des m-bots utilisés permet de manipuler des objets lourds et des objets de formes quelconques (particulièrement s'ils sont plus larges qu'un seul m-bot). Sont considérés dans ce travail l'évitement d'obstacle ainsi que la stabilité du p-bot incluant la charge à transporter. Une cinématique pour un mécanisme de manipulation a été proposée et étudiée. Ce dernier assure le levage de la charge et son dépôt sur le corps des robots pour la transporter. Plusieurs variantes d'actionnement ont été étudiées : passif, avec compliance et actionné. Un algorithme de positionnement optimal des m-bots autour de l'objet à manipuler a été proposé afin d'assurer la réussite de la tâche à effectuer par les robots. Cet algorithme respecte le critère de "Force Closure Grasping" qui assure la stabilité de la charge durant la phase de manipulation. Il maintient aussi une marge de stabilité statique qui assure la stabilité de l'objet durant la phase de transport. Enfin, l'algorithme respecte le critère des zones inaccessibles qui ne peuvent pas être atteintes par les m-bots. Une loi de commande a été utilisée afin d'atteindre les positions désirées pour les m-bots et d'assurer la navigation en formation, durant la phase du transport, durant laquelle chaque robot élémentaire doit maintenir une position désirée par rapport à l'objet transporté. Des résultats de simulation pour un objet de forme quelconque, décrite par une courbe paramétrique, sont présentés. Des simulations 3D en dynamique multi-corps ainsi que des expériences menées sur les prototypes réalisés ont permis de valider nos propositions. / Our goal in the proposed work is to design and control a group of similar mobile robots with a simple architecture, called m-bot. Several m-bots can grip a payload, in order to co-manipulate and transport it, whatever its shape and mass. The resulting robot is called a p-bot andis capable to solve the so-called "removal-man task" to transport a payload. Reconfiguring the p-bot by adjusting the number of m-bots allows to manipulate heavy objects and to manage objects with anyshape, particularly if they are larger than a single m-bot. Obstacle avoidance is addressed and mechanical stability of the p-bot and its payload is permanently guaranteed. A proposed kinematic architecture for a manipulation mechanism is studied. This mechanism allows to lift a payload and put it on them-bot body in order to be transported. The mobile platform has a free steering motion allowing the system maneuver in any direction. An optimal positioning of the m-bots around the payload ensures a successful task achievement without loss of stability for the overall system. The positioning algorithm respects the Force Closure Grasping (FCG) criterion which ensures the payload stability during the manipulation phase. It respects also the Static Stability Margin (SSM) criterion which guarantees the payload stability during the transport. Finally, it considers also the Restricted Areas (RA) that could not be reached by the robots to grab the payload. A predefined control law is then used to ensure the Target Reaching (TR) phase of each m-bot to its desired position around the payload and to track a Virtual Structure (VS), during the transportation phase, in which each elementary robot has to keep the desired position relative to the payload. Simulation results for an object of any shape, described by aparametric curve, are presented. Additional 3D simulation results with a multi-body dynamic software and experiments by manufactured prototypes validate our proposal.

Cette thèse porte sur la Trilogie du Futur du Théâtre du Futur, compagnie basée à Montréal. Ces trois pièces imaginent un futur où le Québec serait devenu indépendant et examinent, du même coup, les problèmes sociétaux qui resteraient à régler à la suite de la réussite d’un tel projet politique. Cette thèse pose que les problèmes sociétaux explorés dans la Trilogie du Futur sont liés à des réminiscences de l’ancienne survivance canadienne-française, dont les principales caractéristiques, telle que définies par Éric Bédard dans Survivance : histoire et mémoire du XIXe siècle canadien-français (2017), sont le récit sur soi, le messianisme compensatoire et l’évitement de la question du régime. Le récit sur soi désignerait la nécessité ressentie par un peuple perdant de l’Histoire de se créer un récit national où il se présenterait plutôt comme gagnant de l’Histoire. Le messianisme compensatoire, pour sa part, est ici compris comme la nécessité d’un peuple conquis à se trouver des guides (c.-à-d des figures messianiques), ceci afin de sauver la nation de la disparition. L’évitement de la question du régime, enfin, recouvre le fait d’empêcher d’envisager un état politique autre que le statu quo et d’ainsi éviter la question, toujours problématique, de la place de la francophonie dans une Amérique majoritairement anglophone. Pour mener à bien cette analyse, la thèse emprunte sa structure comme une partie de son cadre théorique à la triple mimèsis développée par Paul Ricœur dans le tome un du monumental Temps et récit (1991). Dans cet ouvrage, Ricœur examine la mise en intrigue du bagage culturel préalable nécessaire à la compréhension d’un récit ainsi que sa réception par le lecteur. Au terme de cette analyse, la thèse arrive à la conclusion que la trilogie chercherait à transcender ces réminiscences de la survivance canadienne-française par une série de renversements, souvent carnavalesques, des lieux de mémoire passés (hérités du Canada français) ainsi que des topoï québécois contemporains, souvent issus de la politique ou de la culture populaire, et qui sont disséminés à même ces récits du Théâtre du Futur.

Les réseaux de capteurs acoustiques sous-marins (UW-ASN) sont les plus nouveaux achèvements technologiques en termes de communication. Les UW-ASN visent à observer et à explorer les lacs, les rivières, les mers et les océans. Récemment, ils ont été soumis à une attention particulière en raison de leur grand potentiel en termes d'applications prometteuses dans divers domaines (militaires, environnementaux, scientifiques ...) et aux nouvelles questions scientifiques qu'ils suscitent. Un problème majeur dans les UW-ASN est l'épuisement rapide de l'énergie, car une grande puissance est nécessaire pour la communication acoustique, tandis que le budget de la batterie des capteurs est limité. Par conséquent, les protocoles de communication énergétiques revêtent une importance primordiale pour faire usage judiciaire du budget énergétique disponible. Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier les principales caractéristiques des capteurs acoustiques sous-marins difficiles afin de concevoir des protocoles de communication énergétiques, plus spécifiquement au niveau routage et MAC. Tout d'abord, nous abordons le problème des trous énergétiques dans UW-ASN. Le problème du « sink-hole » se produit lorsque les capteurs les plus proches du sink épuisent leur énergie plus rapidement en raison de leur charge plus lourde. En effet, ces capteurs, en particulier ceux qui sont à un seul saut du sinkstatique, agissent comme des relais pour tous les autres capteurs, ce qui leur épuise sévèrement l’énergie.A la couche de routage,en particulier, nous proposons de distribuer la charge transmise par chaque capteur parmi plusieurs voisins potentiels, en supposant que les capteurs peuvent ajuster leur gamme de communication entre deux niveaux lorsqu'ils envoient ou transmettent des données. Plus précisément, nous déterminons pour chaque capteur l'ensemble des prochains sauts avec les poids de charge associés qui entraînent un épuisement équitable d'énergie entre tous les capteurs du réseau. Ensuite, nous étendons notre stratégie de routage équilibrée en supposant que chaque capteur n'est pas seulement capable d'ajuster sa puissance d'émission à 2 niveaux mais aussi jusqu'à n niveaux où n> 2. Par conséquent, à la couche de routage, pour chaque valeur possible de n, nous déterminons pour chaque capteur l'ensemble des éventuels sauts avec les poids de charge associés qui mènent à une consommation d'énergie équitable chez tous les capteurs du réseau. En outre, nous obtenons le nombre optimal de puissances de transmission n qui équilibre la consommation d'énergie de tous les capteurs pour chaque configuration de réseau. En plus de cela, il convient de souligner que notre protocole de routage étendu utilise un modèle de canal à variation de temps plus réaliste qui tient compte de la plupart des caractéristiques fondamentales de la propagation acoustique sous-marine. Les résultats analytiques montrent que notre protocole de routage assure une réduction importante de la consommation d’énergie. Deuxièmement, pour atténuer les impacts de collision spectaculaires gaspillant l’énergie, nous concevons un protocole MAC multicanal (MC-UWMAC) évitant les collisions pour les UW-ASNs. MC-UWMAC fonctionne avec un canal de contrôle (décomposé en créneaux de temps) et un ensemble de canaux de données à bande passante égale. Les créneaux du canal de contrôle sont dédiés à l’échange RTS / CTS permettant à une paire de capteurs communicants de s'accorder sur l'heure de début de la communication sur un canal de données pré-alloué. Dans cette thèse, nous proposons deux nouvelles procédures associées d'allocation des créneaux du canal de contrôle et d'attribution des canaux de données sans nécessiter de frais de négociation supplémentaires. En conséquence, chaque capteur peut initier l'échange RTS / CTS uniquement à son créneau assigné, calculé à l'aide d'une procédure d'allocation basée sur une partition virtuelle de grille de la zone de déploiement. (...) / UnderWaterAcoustic Sensor Networks (UW-ASNs) are the newest technological achievement in terms of communication. Composed of a set of communicating underwater sensors, UW-ASNs are intended to observe and explore lakes, rivers, seas and oceans. Recently, they have been subject to a special attention due to their great potential in terms of promising applications in various domains (military, environmental, scientific...) and to the new scientific issues they raise. A great challenging issue in UW-ASNs is the fast energy depletion since high power is needed for acoustic communication while sensors battery budget is limited. Hence, energy-efficient networking protocols are of a paramount importance to make judicious use of the available energy budget while considering the distinguishing underwater environment characteristics. In this context, this thesis aims at studying the main challenging underwater acoustic sensors characteristics to design energy-efficient communication protocols specifically at the routing and MAC layers. First, we address the problem of energy holes in UW-ASNs. The sink-hole problem occurs when the closest nodes to sink drain their energy faster due to their heavier load. Indeed, those sensors especially the ones that are 1-hop away from the static sink act as relays to it on behalf of all other sensors, thus suffering from severe energy depletion. In particular, at the routing layer, we propose to distribute the transmission load at each sensor among several potential neighbors, assuming that sensors can adjust their communication range among two levels when they send or forward data. Specifically, we determine for each sensor the set of next hops with the associated load weights that lead to a fair energy depletion among all sensors in the network. Then, we extend our balanced routing strategy by assuming that each sensor node is not only able to adjust its transmission power to 2 levels but eventually up to n levels where n > 2. Consequently, at the routing layer, for each possible value of n, we determine for each sensor the set of possible next hops with the associated load weights that lead to a fair energy consumption among all sensors in the network. Moreover, we derive the optimal number of transmission powers n that balances the energy consumption among all sensors for each network configuration. In addition to that, it is worth pointing out that our extended routing protocol uses a more realistic time varying channel model that takes into account most of the fundamental characteristics of the underwater acoustic propagation. Analytical results show that further energy saving is achieved by our extended routing scheme. Second, to mitigate the dramatic collision impacts, we design a collision avoidance energy efficient multichannel MAC protocol (MC-UWMAC) for UW-ASNs. MC-UWMAC operates on single slotted control and a set of equal-bandwidth data channels. Control channel slots are dedicated to RTS/CTS handshaking allowing a communicating node pair to agree on the start time of communication on a pre-allocated data channel. In this thesis, we propose two novel coupled slot assignment and data channels allocation procedures without requiring any extra negotiation overhead. Accordingly, each node can initiate RTS/CTS exchange only at its assigned slot calculated using a slot allocation procedure based on a grid virtual partition of the deployment area. Moreover, for each communicating pair of nodes, one data channel is allocated using a channel allocation procedure based on our newly designed concept of singleton- intersecting quorum. Accordingly, each pair of communicating nodes will have at their disposal a unique 2-hop conflict free data channel. Compared with existing MAC protocol, MC-UWMAC reduces experienced collisions and improves network throughput while minimizing energy consumption.

Cette thèse traite de l'évitement de collision entre un engin spatial opérationnel, appelé objet primaire, et un débris orbital, dit secondaire. Ces travaux concernent aussi bien la question de l'estimation du risque pour une paire d'objets sphériques que celle du calcul d'un plan de manoeuvres d'évitement pour le primaire. Pour ce qui est du premier point, sous certaines hypothèses, la probabilité de collision s'exprime comme l'intégrale d'une fonction gaussienne sur une boule euclidienne, en dimension deux ou trois. On en propose ici une nouvelle méthode de calcul, basée sur les théories de la transformée de Laplace et des fonctions holonomes. En ce qui concerne le calcul de manoeuvres de propulsion, différentes méthodes sont développées en fonction du modèle considéré. En toute généralité, le problème peut être formulé dans le cadre de l'optimisation sous contrainte probabiliste et s'avère difficile à résoudre. Dans le cas d'un mouvement considéré comme relatif rectiligne, l'approche par scénarios se prête bien au problème et permet d'obtenir des solutions admissibles. Concernant les rapprochements lents, une linéarisation de la dynamique des objets et un recouvrement polyédral de l'objet combiné sont à la base de la construction d'un problème de substitution. Deux approches sont proposées pour sa résolution : une première directe et une seconde par sélection du risque. Enfin, la question du calcul de manoeuvres de proximité en consommation optimale et temps fixé, sans contrainte d'évitement, est abordée. Par l'intermédiaire de la théorie du vecteur efficacité, la solution analytique est obtenue pour la partie hors-plan de la dynamique képlérienne linéarisée. / This thesis is about collision avoidance for a pair of spherical orbiting objects. The primary object - the operational satellite - is active in the sense that it can use its thrusters to change its trajectory, while the secondary object is a space debris that cannot be controlled in any way. Onground radars or other means allow to foresee a conjunction involving an operational space craft,leading in the production of a collision alert. The latter contains statistical data on the position and velocity of the two objects, enabling for the construction of a probabilistic collision model.The work is divided in two parts : the computation of collision probabilities and the design of maneuvers to lower the collision risk. In the first part, two kinds of probabilities - that can be written as integrals of a Gaussian distribution over an Euclidean ball in 2 and 3 dimensions -are expanded in convergent power series with positive terms. It is done using the theories of Laplace transform and Definite functions. In the second part, the question of collision avoidance is formulated as a chance-constrained optimization problem. Depending on the collision model, namely short or long-term encounters, it is respectively tackled via the scenario approach or relaxed using polyhedral collision sets. For the latter, two methods are proposed. The first one directly tackles the joint chance constraints while the second uses another relaxation called risk selection to obtain a mixed-integer program. Additionaly, the solution to the problem of fixed-time fuel minimizing out-of-plane proximity maneuvers is derived. This optimal control problem is solved via the primer vector theory.