Les dispositifs innovants étudiés dans cette thèse se caractérisent par les principes communs suivant : - ce sont des machines synchrones hybrides dont le champ d'excitation est créé par des aimants permanents situés sur le même ensemble que le bobinage induit. - donc l'autre partie est passive. - La variation du flux d'induction à travers les bobinages induits est obtenue par commutation du flux des aimants permanents à l'aide des pièces polaires de la partie passive. Deux autres caractéristiques sont utilisée chaque fois que possible : - Bobinage induit global, c'est-à-dire pouvant enlacer plusieurs pôles, constitué d'un simple solénoïde permettant un excellent coefficient de bobinage et une grande facilité de réalisation et de montage. - Fonctionnement possible en monophasé grâce à un pré-positionnement adéquat à l'arrêt. Parmi nos réalisations utilisant ces principes, nous pouvons distinguer les dispositifs de machines tournantes et linéaires. Les actionneurs linéaires sont modulaires, possèdent un rail entièrement passif et peuvent être économiques. L'auto pilotage peut être soit électronique avec ou sans capteur, soit électromécanique. Les machines tournantes possèdent des caractéristiques spécifiques. Elles peuvent être par exemple très rapides (> 50.000 tr/mn) ou miniatures (diamètre <10mm). Des modélisations analytiques et numériques ont permis une bonne compréhension du principe de ces structures et de leur conception. Nous avons mis au point une méthode rapide de modélisation de nos structures associant le calcul analytique et numérique par éléments finis en régime non linéaire. Les expérimentations ont montré des résultats intéressant compte tenue de la simplicité des machines.

La lévitation diamagnétique est un des rares phénomènes permettant de soustraire des corps à la gravité. Si la répulsion diamagnétique est négligeable à nos échelles, elle devient significative aux petites dimensions, allant jusqu'à entraîner, sous certaines conditions, la mise en lévitation de micro-objets diamagnétiques. A travers le développement de microaimants, de modèles numériques et analytiques ainsi que de réalisations expérimentales, ces travaux explorent les potentialités de la lévitation diamagnétique de microgouttes et du piégeage de cellules en milieu paramagnétique. Ils démontrent notamment la possibilité de mesurer précisément l'interaction entre gouttes chargées en lévitation. Ces travaux analysent par ailleurs, le comportement des cellules piégées dans un environnement paramagnétique. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour le tri de cellules basé sur leur taille, leur susceptibilité voire même leur propriété endocytotique. Enfin, la possibilité d'actionner sans contact des microgouttes dans l'air est explorée par la modélisation d'un système innovant couplant la diélectrophorèse à la lévitation diamagnétique.

Thèse de doctorat : Mécanique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille) : 3326. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 139-146.

Thèse doctorat : Informatique : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 123-130.

Depuis de nombreuses années des chercheurs imitent le vivant afin d'obtenir des systèmes capables de s'adapter à des environnements de plus en plus complexes. Aujourd'hui aucune des technologies classiques n'est capable de rivaliser complètement avec le fonctionnement d'un muscle. L'objectif de ce travail est de synthétiser et d'intégrer une nouvelle génération d'actionneurs-capteurs à base de réseaux interpénétrés de polymères conducteurs dans des systèmes de perceptions biomimétiques. Nous avons tout d'abord réalisé la synthèse et la caractérisation d'une nouvelle matrice hôte à base de réseaux interprétés de polymères (RIP) combinant de bonnes propriétés mécaniques du caoutchouc nitrile (NBR) et de conductivités ioniques du poly (oxyde d'éthylène). Nous avons ensuite incorporé dans cette matrice hôte un polymère conducteur électronique, le poly (3,4-éthylènedioxythiophène), par polymérisation in situ. Nous avons caractérisé les effets de différents paramètres de synthèse sur la localisation et la morphologie du polymère conducteur au sein de la matrice. Puis nous avons caractérisé les propriétés d'actionneurs et de capteurs de ces matériaux électroactifs. Enfin nous avons réalisé l'intégration de ces matériaux dans deux prototypes de systèmes de perceptions biomimétiques, le premier tactile imitant les vibrisses du rat et le deuxième visuel imitant les muscles oculomoteurs. Finalement, nous concluons que les propriétés et performances de cette nouvelle génération d'actionneurs-capteurs permettent leurs intégrations dans des systèmes de perceptions spécifiques pouvant être utilisés sur un robot mobile.

polyentrefers (ou fractionnées) synchrones à bobinage global permettant la maximisation du couple ou de l'effort volumique. Le concept de machine polyentrefer est plus précisément appliqué à l'élaboration d'actionneurs linéaires multi-tiges, nouvelle architecture bien adaptée aux entraînements directs. Tout d'abord, une classification des différents actionneurs électromagnétiques permet de situer la place particulière occupée par les actionneurs polyentrefers, notamment ceux à bobinages globaux. Ensuite, une étude, basée sur des optimisations des paramètres géométriques, permet de mettre en évidence l'intérêt de ce type de topologie pour l'obtention de forces spécifiques et de dynamiques mécaniques très élevées. Une analyse aux lois de similitude, régissant les performances de ces actionneurs, est ensuite menée pour dégager leurs caractéristiques fondamentales. Puis, une étude des comportements mécaniques, prenant en compte, entre autres, les tolérances mécaniques (montage) et les efforts normaux (guidage), est ensuite effectuée. Ainsi, la possibilité de filtrer les ondulations d'efforts et de diminuer les forces parasites (composante normale) sans affecter l'effort utile est montrée. Cette approche aboutit à la structure multi-tiges. Enfin, un prototype est testé et permet de valider la faisabilité de cette technologie, ainsi que la justesse des modèles utilisés. Ce moteur, ne comportant que huit tiges pour un volume actif d'un litre, atteint un effort électromagnétique de 1000N en fonctionnement statique. Des abaques permettent d'estimer simplement les performances optimales d'actionneurs multi-tiges sous diverses contraintes mécaniques.

Cette thèse se positionne dans le contexte des réseaux sans fil multi-sauts tels les réseaux de capteurs ou les réseaux de capteurs/actionneurs ou encore de robots mobiles. Ces réseaux sont composés d'entités (nœuds) indépendantes (c.-à-d. les robots) possédant des capacités limitées en termes de taille mémoire, de capacité de calcul et sont soumis à des contraintes énergétiques fortes (ces composants reposent sur des batteries). Ils communiquent exclusivement par voie radio, il n'y a donc aucune infrastructure fixe. Pour pouvoir relayer les messages d'un robot à une station de base, on utilise des protocoles dits " de routage" qui ont en charge de déterminer quel robot doit relayer le message, de façon locale et distribuée, sans connaissance globale du réseau. Nous nous sommes basé sur CoMNet, le premier protocole de routage géographique utilisant la mobilité contrôlée tout en garantissant la connexité de celui-ci. CoMNet va, à chaque routage, relocaliser le prochain saut selon un schéma de relocalisation prédéfini de manière à adapter la topologie du réseau à son trafic, et ce afin d'économiser de l'énergie. CoMNet propose trois schémas de relocalisation différents adaptés à différents environnements, et l'on en choisit un au démarrage du réseau. Toutefois, CoMNet, en faisant bouger le prochain nœud N, va certes adapter la topologie, mais aussi modifier le voisinage de ce même nœud. Quand ça sera à lui de transmettre le message il n'aura plus forcément les mêmes possibilités, ses voisins ayant changé. La relocalisation d'un nœud N va servir de base pour celle de N + 1 et les suivants dans le routage. En réponse à ce problème, nous avons proposé MobileR (Mobile Recursivity). MobileR va, à chaque étape du routage, essayer d'anticiper sur plusieurs sauts pour choisir le prochain noeud. Il va calculer la relocalisation des voisins N et pour chacun d'entre eux les multiples N + 1 possibles, etc. MobileR va donc calculer à chaque étape du routage les coûts sur progrès de chacun des chemins (avec nœuds relocalisés) possibles. Le paquet sera alors transmis, au premier nœud du chemin qui minimise ce ratio. Le principe même de relocaliser les nœuds apporte son lot de nouveaux problèmes. Ainsi, dans les réseaux de capteurs, il y a souvent plusieurs nœuds sources qui détectent un même événement et vont émettre des messages à router vers l'unique station de base. Les chemins de routage de ces différents messages sont physiquement proches - vu qu'ils sont liés à un même événement - et ce d'autant plus qu'on se rapproche de la station de base. Ces chemins vont finir par se croiser, et le noeud de croisement va sans cesse être relocalisé par chacun des chemins. C'est pourquoi j'ai proposé le protocole de routage PAMAL (PAth Merging ALgorithm) en réponse à un problème introduit par la mobilité. En effet, PAMAL permet de détecter ces intersections et de les gérer localement. Il va arrêter ces oscillations parasites, provoquer une fusion des chemins de routage en amont du noeud d'intersection et une agrégation de paquets en aval. PAMAL propose ainsi une amélioration de la durée de vie du réseau allant jusqu'à 37% avec un mécanisme d'agrégation très simple. La mobilité contrôlée permet aussi d'envisager de nouvelles solutions à des anciens problèmes. Le protocole GRR (Greedy Routing Recovery) propose ainsi un mécanisme de récupération pour augmenter le taux de délivrance des messages dans les réseaux de capteurs/actionneurs avec obstacle(s). En effet aucun des protocoles de routage reposant sur des actionneurs n'implémente un procédé pour contourner les obstacles ou les zones de faible densité où le routage glouton simple est impossible. Ils routent tous les messages de manière gloutonne vers la destination. Le routage échoue alors quand un noeud n'a plus de voisin plus proche de la destination que lui-même. C'est pourquoi GRR va, quand le routage glouton simple de proche en proche échoue, appliquer un nouveau schéma de relocalisation qui va permettre de contourner l'obstacle tout en restaurant le routage glouton. L'obstacle va ainsi être circonvenu en relocalisant des nœuds tout autour. Ainsi, les routages suivants seront gloutons. Sans pour autant garantir la délivrance de 100% des messages, nos simulations montrent que le mécanisme de récupération de GRR permet de router avec succès dans 72% des cas sur des topologies où CoMNet échoue dans tous les cas.

Ces dernières années, nous avons assisté à l'apparition des réseaux sans fil multi-sauts. Avec des capacités distinctes, des caractéristiques différentes et des applications cibles variées, nous pouvons identifier les réseaux de capteurs (WSNs) et plus récemment les réseaux de capteurs et actionneurs (WSANs). Ces derniers sont des réseaux auto-organisés et ils sont constitués d'un grand nombre de noeuds capteurs autonomes à faible ressources (capacité de calcul, de mémoire, de puissance d'émission, etc...) et un nombre moins important de noeuds actionneurs disposant généralement d'une source d'énergie abondante. Les fonctions de calcul et de communication au niveau des actionneurs peuvent donc profiter de cette richesse en énergie : par conséquent les capacités de calcul et de stockage ainsi que la puissance de transmission au niveau des actionneurs sont plus importantes. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réseaux urbains considérés par le projet ANR ARESA2 qui sont principalement des réseaux de capteurs et actionneurs hétérogènes : l'hétérogénéité est causée par la coexistence des noeuds capteurs à faibles ressources et des noeuds actionneurs riches en ressources. Ces derniers devraient être utilisés de manière différenciée par le réseau. C'est dans ce contexte que se déroule cette thèse dans laquelle nous avons étudié des algorithmes d'autoorganisations et de routage s'appuyant sur l'hétérogénéité. Au début, nous nous sommes intéressés à l'auto-organisation dans un contexte hétérogène. Se basant sur l'idée que les ressources au niveau des noeuds actionneurs doivent être exploitées afin de réduire la charge de communication au niveau des noeuds capteurs, nous avons proposé un protocole d'auto-organisation appelée Far-Legos. Far-Legos permet de profiter de la puissance d'émission des actionneurs pour apporter une information de gradient au niveau des capteurs. Les actionneurs initient et construisent une topologie logique. Cette dernière sera utilisée pour faciliter la phase de collecte de données à partir des noeuds capteurs vers les noeuds actionneurs. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux liens asymétriques causés par la présence de différents types de noeuds avec différentes portées de transmission. Ces liens asymétriques, causés par l'hétérogénéité au niveau des noeuds constituant le réseau, peuvent détériorer les performances des protocoles de routage qui ne tiennent pas compte de ce type de liens. Pour éviter la dégradation de ces protocoles de routage, nous introduisons une nouvelle métrique de calcul de gradient ou de rang. Celle-ci sera utile pour détecter et éviter les liens asymétriques au niveau de la couche réseau pour le protocole de routage RPL. Nous présentons aussi une adaptation du protocole de collecte de données basé sur Legos pour détecter et éviter ces liens asymétriques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'exploitation de ces liens asymétriques. Nous proposons ainsi un protocole de collecte de données dédiés aux réseaux hétérogènes contenant des liens asymétriques appelé AsymRP. AsymRP est un protocole de routage dédié au trafic de collecte de données basé sur une connaissance de voisinage à 2-sauts combinée avec l'utilisation des messages d'acquittements (ACKs) implicites et une technique de routage de messages ACKs explicites. Cette proposition tire profit des liens asymétriques afin d'assurer une collecte de données fiable.

Ces travaux de recherche s’inscrivent dans le cadre d’une coopération scientifique entre le Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie(LAPLACE) à l’Institut National Polytechnique de Toulouse en France et le Laboratoire des Systèmes Electriques (LSE) de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis en Tunisie. L’objectif principal de cette étude consiste à proposer une structure de « smart-machines » en vue de l’intégrer dans un réseau de systèmes supervisés et pilotés à distance. A cette fin, nous développons de nouveaux types de capteurs embarqués intelligents et autonomes pour assurer à la fois la supervision et le contrôle des actionneurs électriques tournants. Les différentes contraintes, comme les dimensions, la mesure in situ (directement sur le rotor de ces machines), la robustesse de ces capteurs en milieu à forts champs électromagnétiques, et aussi le faible coût du produit ont orienté notre choix vers les accéléromètres en technologie MEMS (Micro Système Electro Mécanique). Ces composants présentent plusieurs avantages, d’une part par leurs faibles dimensions, et d’autre part par leurs faibles consommations d’énergie. De plus, de par leurs conceptions, les tensions électriques issues des différentes sorties de ces composants sont proportionnelles à des déplacements de petites masses, qui nécessitent la mise en place de différents algorithmes de traitement du signal afin d’extraire la vitesse de rotation à partir ces actionneurs. Cela nous a conduits à employer la variance d’Allan et des algorithmes génétiques pour obtenir la meilleure qualité des mesures données par ces capteurs. Dans la première partie, nous développons une maquette de mesure de la vitesse de rotation d’un moteur en utilisant un système de balais donc une transmission filaire. Ensuite dans la deuxième partie un système sans fils a été mis en place à la fois sur une machine à courant continu et sur une machine asynchrone de 1,5 kW. Ces études nous ont permis d’obtenir, en plus d‘une mesure de la vitesse de rotation et de l’accélération du moteur, une méthode fiable et apte à déceler les défauts de désalignement de l’axe de rotation du moteur ainsi que les vibrations de ce dernier. Enfin, une IHM (Interface Homme Machine) a été conçue, afin de rendre, quasi-transparents vis-à-vis de l’utilisateur les différents post-traitements. Globalement, notre approche permet d’obtenir un système de capteur de vitesse de rotation aussi fiable que ceux existants, avec l’avantage d’être intégré au sein du rotor avec la possibilité de superviser les défauts de désalignement ou de vibration d’un actionneur et ensuite de les transmettre à distance sans fils. / These research works join within the framework of scientific cooperation between two laboratories: LAPLACE at National Polytechnic Institute of Toulouse in France and LSE at National School of Engineers from Tunis in Tunisia. The main objective of this study consists in proposing a structure of “smart-machines” to introduce them in a network of systems supervised and remote controlled. Consequently, we develop new type of intelligent and autonomous embedded sensors to guarantee simultaneously the supervision and the control of the rotating electrical actuators. The several constraints such as : the dimensions, the measure in situ (directly on the rotor of these machines), the robustness of these sensors in very strong electromagnetic field environment, and also the low cost of the product, have oriented our choice to accelerometers in technology MEMS (Micro Electro Mechanical System). These components present different advantages, on one hand by their low dimensions, and on the other hand by their low energy consumption. Moreover, because of their designs, the electrical voltages obtained from the various outputs of these components are proportional to the small masses movement. The using of them requires the implementation of several signal processing algorithms to extract the rotation speed from these actuators. This led us to use the Variance of Allan and the Genetic Algorithms, to obtain the best certainty of measurements given by these sensors. So, in the first part of this study we develop a measurement device of the rotation speed of an actuator by using a system of brooms thus a wired transmission. Then, in the second part a wireless system was set up at the simultaneously on a direct current (DC) machine and on an induction machine of 1,5 kW. These studies allowed proposing, besides a measure of the electrical actuator rotation speed and its acceleration, the reliable method able to determine the fault of misalignment of the actuator rotation axis as well as its vibrations. Finally, an MMI (Man Machine Interface) was designed, to make quasi-transparent according to the user, the different post signal processing’s. Globally, our approach allows obtaining rotation speed sensor system as reliable as those existing, with the advantage to be integrated within the rotor with the possibility to supervise the actuator axis misalignment fault or its vibration and then to transmit them remote by wireless.

Les nouvelles générations d’avions, tant civils que militaires, sont désormais pleinement engagées dans l’électrification des commandes de vol. Afin d’atteindre les nouveaux objectifs et critères mis en place pour le bon développement de ces actionneurs électro-mécaniques, il est nécessaire d’effectuer des études en amont. Ces études portent principalement sur le comportement mécanique et tribologique des pièces en contact afin d’éviter l’évènement le plus redouté qui est le grippage, au sens blocage irréversible du système. En effet, ces actionneurs électro-mécaniques sont soumis à des sollicitations de chargement vibratoires qui induisent des déplacements de très faibles amplitudes entre les pièces en contact. Ces micro-glissements peuvent induire de l’usure, de la fissuration, de l’écaillage, etc. Pour répondre à ces objectifs, les travaux de recherche menés dans cette thèse, ont porté sur quatre axes majeurs. Le premier axe consiste à étudier et déterminer le comportement tribologique des premiers corps en milieu sec, puis en incorporant des traitements de surface. Le second axe a permis de déterminer les différents régimes de lubrification du contact lubrifié à la graisse. Nous avons montré que le régime de lubrification totale est caractérisé par la formation d’un tribofilm lubrifiant et protecteur. Des analyses plus poussées ont portées sur les cinétiques de formation et destruction de ce tribofilm ainsi que sa nature. Le troisième axe est consacré à l’étude du comportement tribologique du contact revêtu en milieu graissé. Le dernier axe de travail est destiné à la mise en place d’outils de simulation et de prévision de l’usure, et donc à posteriori du grippage, en fonction des conditions de chargement. Ces quatre axes d’études complémentaires ont donc permis de mettre en place des outils de comparaison de graisses et de revêtements, de comprendre le comportement du contact étudié ainsi que de développer des outils de simulation. / Electrification of flight controls represents an important milestone for both civil and military next-generation aircraft. A successful development of electro-mechanical actuators used for this type of application not only requires the establishment of a set of appropriate objectives and criteria but also the study of fundamental aspects. These studies mainly focus on the mechanical and tribological behavior of parts in contact with the objective to prevent seizing. Seizing is defined as an irreversible blockage of the system and it can be considered as the worst-case scenario. As a matter of fact, the considered electro-mechanical actuators are subjected to vibrational loads which induce small displacements between the parts in contact. These micro-slidings can result in wear, cracking, scaling and other undesirable phenomena. This PhD thesis is divided into four major topics that each contributes to prevent seizing. More precisely, the first part of this thesis deals with the tribological behavior of the first bodies in dry condition both with and without surface treatments. As a second axis the different lubrication regimes of the greased lubricated interface were determined. We have shown that the total lubrication regime is characterized by the formation of a lubricant and protective tribofilm. A detailed analysis on the nature of the tribofilm as well as on its kinetics of formation and destruction was carried out. The third area is devoted to the study of the tribological behavior of the coated and greased contact. Finally, the fourth axis of this research deals with the question of how we can simulate and predict wear, and seizing as its most severe form, under multiple loading conditions. These four complementary areas allowed us to establish tools for comparison for greases and coatings in order to understand the behavior of the fretted interface and to develop simulation tools.