Afin d'atteindre leur cible, les projectiles guidés d'artillerie nécessitent d'être dotés d'un dispositif de pilotage. Des surfaces de contrôle déployables et orientables sont donc nécessaires. Toutefois, le montage de gouvernes ajustables sur une ogive est une tâche mécaniquement ardue. En effet, lors du tir effectué par canon, l'équipement de bord subit une accélération significative, ce qui implique que des liaisons mécaniques particulièrement robustes doivent être conçues entre les ailettes et le corps. Cette technologie est bien maîtrisée lorsqu'elle est employée sur des projectiles de gros calibre, mais devient bien plus compliquée quand elle doit être adaptée pour être intégrée dans des petits ou moyens calibres. Néanmoins, dans des conditions de vol supersonique, des ondes de choc qui interagissent avec des surfaces solides sont susceptibles de considérablement modifier la distribution de pression. Ce principe a permis d'imaginer une méthode alternative de pilotage de projectiles supersoniques en exploitant des ondes de choc générées au moyen de petites perturbations créées à partir d'un micro-actionneur de forme cylindrique, aussi appelé micro-plot. Comme les forces de portance exercée sur un corps sont essentiellement dues à une pression appliquée sur de grandes surfaces, il a été choisi de se baser sur une configuration stabilisée par empennage. En vue de simplifier l'étude, le travail a été effectué sur un projectile académique de référence bien connu appelé le Basic Finner.Des expériences ont tout d'abord été effectuées dans la soufflerie supersonique de l'ISL sur une plaque plane comportant un plot et deux ailettes verticales. Ces mesures ont permis de valider la capacité de simulations numériques stationnaires RANS à prédire à la fois la distribution pariétale de la pression que génère un tel actionneur et le champ de vitesse de l'écoulement dans son voisinage. Les distributions de pression et de vitesse ont été mesurées en utilisant des méthodes optiques appelés Pressure Sensitive Paints (PSP) et Particle Image Velocimetry (PIV) afin d'être comparés avec les résultats de la CFD. Une étude paramétrique a ensuite été menée en se basant exclusivement sur ces simulations RANS. Ces calculs ont permis de déterminer l'emplacement optimal pour lequel le plot est le plus efficace sur toute l'enveloppe de vol du projectile. A partir de cette position optimale, deux configurations spécifiques ne générant aucun moment de roulis ont été étudiées numériquement et comparés en termes d'efficacité. En utilisant les coefficients aérodynamiques résultants de ce travail, des simulations de trajectoires à 6 degrés de liberté (6-DOF) ont été réalisées avec le code de BALCO (OTAN). Celles-ci ont permis de déterminer la déviation potentielle qui peut être obtenue sur une des deux configurations retenues en employant un tel micro-actionneur. Ces simulations 6-DOF ainsi que l'effet de du plot sur le projectile ont enfin été validés lors d'une campagne d'essai en vol libre qui a eu lieu sur le champ de tir de l'ISL. / In order to reach their target, guided artillery projectiles need some steering capability. Folding and adjustable control surfaces are thus necessary. However, mounting adjustable rudders on a shell is a difficult task, mechanically speaking. Indeed, during the gun launch, the onboard equipment undergoes significant acceleration so that robust mechanical joints have to be designed between the rudders and the body. This technique performs very well on large-caliber projectiles, but becomes more complicated when it has to be embedded in small- or medium-caliber ones. Nevertheless, under supersonic flight conditions, shock waves interacting with solid surfaces are likely to strongly modify the pressure distribution. This principle made it possible to imagine a way of steering small-caliber vehicles using shock waves generated by means of small disturbances created by a cylindrical-shaped micro-actuator, also called micro-pin. As lift forces exerted on a body are mainly due to the pressure applied to large surfaces, a finned configuration has been chosen. To simplify the study, the work has been conducted on the Basic Finner, a well known academic reference projectile.Experiments were first performed in the ISL supersonic wind tunnel on a flat plate on which a pin and two vertical projectile-like fins were mounted in order to validate the capability of steady RANS numerical simulations to predict both the pressure footprint of such an actuator and the flow velocity in its vicinity. Pressure and velocity distributions have been measured by using optical methods called Pressure-Sensitive Paint (PSP) and Particle Image Velocimetry (PIV) in order to be compared with the calculation results. A parametric study was then conducted with these RANS simulations so that the optimum location for which the pin is the most effective over the complete flight envelope of the projectile could be determined. Using this optimum position two specific no-roll momentum configurations were studied numerically and compared in terms of effectiveness. By using the aerodynamic coefficients resulting from this work, 6-Degree-Of-Freedom (6-DOF) trajectory simulations were performed with the NATO BALCO code on one of these configurations in order to determine the potential deviation which can be obtained with such an actuator. These 6-DOF simulations as well as the pin effect on the projectile could finally be validated during a free-flight campaign that took place at the ISL open-range testing site.

Le travail présenté concerne les actionneurs électriques pour des applications sécuritaires dans l'automobile comme la direction ou le freinage. Dans un premier temps, un bilan des solutions existantes pour rendre un actionneur électrique tolérant aux fautes, et donc capable de fonctionner après l'apparition d'un défaut, a été fait. Le court-circuit interne dans le bobinage ayant été montré comme un des défauts les plus problématiques, l'étude s'est concentrée sur des méthodes pour estimer l'impact de ce défaut sur des machines bobinées sur dent à aimants permanents en surface. Une modélisation utilisant un logiciel d'étude par éléments finis est développée, puis différentes approches par formules analytiques sont exposées. Ces modélisations analytiques permettent d'obtenir des ordres de grandeurs du courant de court-circuit, du couple et du champ dans les aimants lors de l'apparition du court-circuit dans le bobinage

Ce travail de thèse propose une méthodologie et des outils pour un environnement d'aide à la conception. L'objectif est le support des outils et méthodes du concepteur durant le processus de conception en considérant la complexité des produits à concevoir et l'imprévisibilité de ce processus. Nous utilisons pour cela le concept de composant logiciels métiers à partir duquel il est possible, par exemple, d'intégrer des logiciels de simulation existants sans programmation, puis de les utiliser dans des services tels que l'optimisation. L'environnement dispose également d'un service de composition visuelle et récursive pour agréger les modèles, ainsi que pour définir et mettre en oeuvre le séquencement du processus de conception. Nous détaillons des applications de l'environnement pour dimensionner un transformateur de tensions triphasées, concevoir un micro-actionneur magnétique ou assister la conception collaborative d'un contacteur électromécanique.

Le contrôle électromagnétique d'écoulements en eau de mer permet de modifier l'écoulement à l'aide d'un champ de force de Lorentz-Laplace, produit par des actionneurs électromagnétiques affleurants à la paroi. Ces actionneurs sont constitués d'aimants permanents et d'électrodes pariétales, qui peuvent être associés en réseau et excités périodiquement, dans le temps et dans l'espace. Dans le cadre de ce travail, nous avons mené une étude expérimentale et numérique sur l'effet du forçage électromagnétique sur un écoulement initialement au repos et sur un écoulement en tunnel hydrodynamique. Les deux types d'actionneurs étudiés, normal et parallèle, ont montré que l'écoulement est largement modifié par le forçage, voire même qu'il résulte entièrement de celui-ci. Les résultats obtenus ont permis de caractériser ces modifications et démontrent, en particulier pour des écoulements initialement au repos, la grande sensibilité de la réponse de l'écoulement à la géométrie des actionneurs. Un ensemble de critères objectifs basés sur des bilans intégraux a été proposé. Celui-ci permet de fixer objectivement les échelles du forçage électromagnétique en terme de longueur, de temps, d'accélération et de vitesse, mais aussi celles de l'écoulement, comme la zone d'action et les bilans propulsifs locaux. Les résultats expérimentaux, obtenus à l'aide de techniques de visualisation et de vélocimétrie par image de particules, ont permis de valider les modèles analytiques utilisés pour le calcul du champ de forces. Cette validation repose sur l'excellent accord obtenu entre les simulations numériques et les expériences, pour les cas d'écoulements initialement au repos.

Le contrôle électromagnétique (CEM) d'écoulement en eau de mer permet d'appliquer directement au sein d'un écoulement des forces volumiques locales dans des régions choisies de celui-ci. Des actionneurs électromagnétiques (EM), constitués d'aimants permanents et d'électrodes pariétales, constituent un moyen original de forçage sur une couche limite d'eau de mer. Les forces électromagnétiques volumiques appliquées sont locales et leur rotationnel est une source directe de vorticité. Ces actionneurs peuvent être associés en réseau et activés périodiquement en espace et en temps. Des travaux précédents, Rossi L. et al. (2002), ont montré expérimentalement la possibilité d'altération, par forçage électromagnétique (EM), de structures cohérentes produites synthétiquement dans une couche limite laminaire. Dans la présente étude, une simulation numérique directe (SND) basée sur le code de Paulo Orlandi est entreprise, Orlandi P. (2000). La SND constitue un outil essentiel à l'identification des mécanismes actifs pour chaque schéma de contrôle envisagé. Le travail accompli porte en première étape sur le calcul d'une couche limite turbulente ordinaire non-actionnée. Le champ turbulent obtenu est d'une part comparé avec succès à ceux des travaux faisant référence, d'autre part il constitue le champ initial à un ensemble de simulations de forçage. Les résultats sont analysés sur les champs de vitesse calculés et sur l'identification des structures cohérentes présentes dans cette couche. La seconde étape consiste à imposer divers forçages électromagnétiques locaux à l'écoulement et à analyser la réponse de ce dernier à ces forçages.

Les travaux de thèse présentent une étude comparative d'actionneurs électromécaniques à course limitée régulant la position d'un obturateur dans une boucle d'air d'un moteur thermique. Les normes européennes sur la limitation des rejets polluants imposent de nouveaux besoins sur les performances dynamiques et mécaniques des actionneurs. Un état de l'art sur la boucle d'air des moteurs thermiques montre que deux topologies d'actionnements sont devenus majoritaires : l'une se compose d'un moteur à courant continu (MCC) à balais et d'une transmission de puissance par engrenage, l'autre est une machine sans balais à entraînement direct sur l'obturateur. La description de ces topologies montre une approche multiphysique utilisant la mécanique, l'électricité, le magnétisme, la thermique et l'automatique. À l'aide d'un cahier des charges, quatre architectures magnétiques de machines à entraînement direct ont été modélisées et optimisées en régime linéaire. Chaque machine est constituée d'aimants permanents au rotor et d'un circuit magnétique à dents polaires bobinées. De ces quatre machines, une d'entre elles est choisie sur le critère de la performance de couple par unité de volume en vu d'être optimiser sur le critère de la consommation minimale de l'énergie électrique. Pour jauger des résultats obtenus, la topologie MCC avec un réducteur à engrenage à deux étages de réduction est paramétrée et optimisée avec les mêmes contraintes et le même objectif. Les méthodes présentées associent les contraintes physiques et dynamiques sur le dimensionnement de l'actionneur et évoluent vers une optimisation de l'ensemble actionneur, électronique de puissance et loi de commande.

Pour réduire les émissions de gaz polluants, les constructeurs automobiles cherchent à mieux contrôler le volume d'air introduit dans le moteur pour optimiser la combustion. Des dispositifs mécaniques ou hydrauliques couplés avec l'arbre à cames sont déjà en place dans certaines voitures et permettent des gains de 8 à 10% sur la consommation de carburant. L'utilisation d'un actionneur électromagnétique à la place de l'arbre à cames (application " camless ") pour commander les soupapes améliore nettement ce gain (15 à 20%). Les travaux de cette thèse consistent à modéliser une structure choisie, pour ensuite l'optimiser. Compte tenu des exigences de notre application et des contraintes d'environnement du moteur thermique, la modélisation doit être à la fois suffisamment précise et rapide pour estimer et améliorer les performances de l'actionneur. Pour la partie statique, nous avons opté pour un modèle réluctant 3D. Obtenu par extension de son homologue 2D, il reste rapide tout en donnant des résultats en accord avec les mesures. En régime transitoire, nous proposons une nouvelle approche analytique de la distribution des courants de Foucault, directement à partir de l'évolution du flux magnétique. L'équation de diffusion comporte alors des conditions aux limites de Neumann. Nous avons traité le cas d'un flux magnétique arbitraire grâce au théorème de Duhamel, ainsi que la saturation du matériau grâce à une approche semi-analytique.

En microrobotique, l'interaction directe avec les objets par l'opérateur est impossible, en raison notamment de leur taille, des phénomènes physiques complexes et de la grande sensibilité des systèmes aux conditions environnementales. Les systèmes de téléopération apparaissent comme un moyen prometteur pour interagir avec l'échelle microscopique où la perception sensorielle humaine a dépassé ses limites. Cependant, ces systèmes doivent répondre à deux problématiques importantes: la transparence du fait des phénomènes physiques complexes qui doivent être retransmis et la stabilité du fait de la réduction d'échelle. Bien que les travaux actuels aient donné lieu à des systèmes performants, des insuffisances apparaissent notamment par la prise en compte de la spécificité du couplage haptique, de la mesure de microforces, de l'inertie importante des interfaces haptiques utilisées, etc. Pour obtenir des systèmes complets et intuitifs, plusieurs points doivent être abordés : le choix d'une interface haptique adaptée, le développement d'un nouvel outil de mesure de microforces, la synthèse de loi de commande et l'utilisation d'un couplage bilatéral direct. Une chaîne de micro téléopération est conçu en prenant en compte les points précédents. Des téléopérations mono-dimensionnelles ont pu être menées pour valider la chaîne. Plusieurs utilisateurs inexpérimentés ont réussi à utiliser le système pour interagir avec une goutte d'eau. Ils ont pu ressentir les différents efforts d'interaction, notamment le pull-in et le pull-off. Ce travail n'est qu'un premier pas vers des systèmes de micro téléopération intuitifs. Il montre aussi l'intérêt de l'approche proposée en microrobotique.

Depuis 1996, mes activités de recherche se sont inscrites dans les champs des nanosciences, de la physique des semi-conducteurs, des micro/nanotechnologies, et des MEMS/NEMS (Micro/Nanosystèmes électromécaniques). En particulier, j'ai rejoint en octobre 2000 le groupe Microsystèmes Silicium de l'IEMN sur le sujet des résonateurs micro-électromécaniques et de leurs applications pour le traitement du signal en gamme RF et IF. Cette activité a permis de développer les techniques de caractérisation électrique des dispositifs ainsi que leur modélisation électromécanique. A partir de 2002, j'ai étendu mes activités dans le domaine des MEMS vers les micro-actionneurs et les micro-capteurs, dont les applications concernent les nanotechnologies et la biologie. Je me suis appliqué au développement d'actionneurs électrostatiques pour un fonctionnement en milieu liquide, et au développement de capteurs capacitifs et piézorésistifs aux performances ultimes pour des applications nanométriques. Depuis 2007, l'activité de recherche se concentre sur l'utilisation des résonateurs MEMS en tant que nouvelle génération de sondes de microscopie à force atomique (AFM) à hautes performances. Cette activité est actuellement soutenue par le Conseil Européen de la Recherche (ERC) dans le cadre d'un financement Starting Grant dont je suis le bénéficiaire. En 2009, nous avons démontré le concept des sondes MEMS AFM en obtenant les premières images de microscopie, et en 2010 nous avons obtenu des images d'origamis d'ADN à la cadence rapide d'une image par seconde. Le travail de recherche se focalise maintenant sur le développement des sondes afin d'en améliorer les performances en termes de fréquence de vibration, de résolution en force et de vitesse d'acquisition. Un autre aspect concerne l'utilisation de ces sondes pour l'analyse rapide du comportement dynamique de nanobiosystèmes en milieu liquide. Ces travaux s'inscrivent dans une vision à plus long terme visant à développer des solutions à base de MEMS et de NEMS pour l'instrumentation scientifique et la nanocaractérisation multimodale.

La commande des actionneurs électropneumatiques a été un sujet largement traité au cours des dernières décennies. Le caractère fortement non-linéaire de son comportement en a fait un cas d'étude particulièrement pertinent dans le cadre d'une démarche d'application de la théorie de la commande des systèmes non-linéaires. L'utilisation de ces techniques a été comparée aux approches linéaires traditionnelles et généralement jugée largement supérieure notamment en termes de précision ou de temps de réponse. Dans ce manuscrit nous abordons très spécifiquement l'aspect multivariable du système et introduisons la transformée A-T, similaire à la transformée de Park appliquée classiquement aux systèmes électriques, afin de donner une forme strict feedback à son modèle d'état, de clarifier les phénomènes physiques mis en jeu lors de sa commande et de distinguer les deux degrés de liberté du système. Cette transformée permet en outre une comparaison directe avec les moteurs électriques décrits dans le repère de Park. Ce parallèle rend notamment possible la solution du problème délicat de l'observation de la position à vitesse nulle en transférant des méthodologies déjà validées sur des systèmes électriques. L'exploitation des deux degrés de liberté est illustrée par la synthèse de lois de commande combinant le suivi d'une trajectoire de position du piston au respect d'un second critère variable (réglage de la pressurisation moyenne, optimisation de la consommation instantanée). L'utilisation d'un actionneur électropneumatique asservi comme actionneur à compliance variable est étudiée. Une loi de commande basée sur la transformée A-T est proposée pour contrôler simultanément la position et la raideur pneumatique de l'actionneur. Une méthodologie de réglage des gains de commande est proposée pour définir l'impédance en boucle fermée du système. L'influence de la raideur pneumatique sur la raideur en boucle fermée est étudiée. L'utilisation d'une source d'énergie alternative (de l'hélium sous pression) est également pour la première fois mise en œuvre. L'influence du changement de gaz sur le dimensionnement de l'actionneur électropneumatique est étudiée et une méthodologie permettant d'utiliser les lois de commande prévues pour de l'air est proposée. L'ensemble des propositions faites dans ce manuscrit est testée et validée sur un banc d'essais à la structure inédite. Ce dernier allie deux actionneurs, l'un électropneumatique (l'actionneur étudié) et l'autre, un moteur plat électrique (l'actionneur de charge). L'utilisation de celui-ci permet la génération d'efforts perturbateurs dans une large bande passante ainsi que la modification en temps réel des paramètres mécaniques dynamiques de la charge.