L'objectif principal de ce mémoire est de présenter le processus de conception qui a mené à la réalisation d'un prototype expérimental d'hydrogénérateur à ailes oscillantes de 1 kW. Ce dernier a été réalisé de manière à démontrer le potentiel d'extraction d'énergie d'un hydrogénérateur à ailes oscillantes et pour valider certaines prédictions numériques effectuées par le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numériques (LMFN) de l'Université Laval. Une revue de littérature présentant tous les hydrogénérateurs à aile(s) oscillante(s) répertoriés dans la littérature et leur principe de fonctionnement est d'abord présentée. Ensuite, la conception et l'expérimentation d'un premier prototype de petite taille est montrée. Des observations pertinentes quant à la conception du prototype de 1 kW sont aussi incluses. Suit alors la description explicite de la conception de l'embarcation motorisée permettant de faire fonctionner le prototype de 1 kW, la présentation du choix de la topologie de mécanisme et son processus d'optimisation et une description détaillée du prototype de 1 kW lui-même. Les résultats expérimentaux obtenus avec le prototype de 1 kW sont présentés de façon sommaire. Une analyse approfondie de ces derniers sera effectuée par Kinsey ([1]).

Cette thèse a été consacrée à l’étude en laboratoire plusieurs molécules d’intérêt astrophysique par spectroscopie par transformation de Fourier dans l’infrarouge lointain afin de montrer les possibilités offertes par cette gamme spectrale en matière de spectroscopie vibrationnelle et rotationnelle, notamment grâce à l’utilisation du rayonnement synchrotron. Nous nous sommes intéressés à des molécules relativement lourdes, dérivées du naphtalène, pour lesquelles nous avons pu observer les bandes de vibrations de plus basses fréquences. Nous avons également développé différents dispositifs de décharge permettant d’étudier la spectroscopie rotationnelle de molécules instables : molécules légères à haute température et radicaux de petite taille. / This thesis has been dedicated to the laboratory far-infrared Fourier transform spectroscopy of several molecules of astrophysical interest in order to demonstrate the interest of this spectral region for vibrational and rotational spectroscopy, in particular using synchrotron radiation. Low frequency vibrational spectra of nine naphthalene derivatives, relatively heavy molecules, have been studied. Several discharge set-ups have also been developed in order to study rotational spectroscopy of transient species: high temperature light molecules and small radicals.

Cette thèse expérimentale s'intéresse aux mécanismes fondamentaux de la propulsion par ailes battantes. Nous utilisons un modèle simplifié, constitué d'un aileron oscillant placé dans un tunnel hydrodynamique, qui nous permet d'établir un cadre d'études pour l'analyse des sillages produits. En particulier, nous étudions l'influence de la flexibilité de l'aileron sur ces sillages. Nous définissons un espace de paramètres à deux dimensions (fréquence et amplitude du battement), dans lequel nous identifions trois principaux régimes d'écoulements, associés à trois types de sillages tourbillonnaires. La technique de PIV nous permet d'analyser et quantifier précisément les paramètres physiques et géométriques des sillages observés. La force moyenne subie par l'aileron est estimée dans chacun des régimes, à partir d'un bilan standard de quantité de mouvement. Nous localisons ainsi la transition traînée-propulsion dans notre espace de phase. Nous montrons la performance propulsive supérieure des ailerons flexibles par rapport à un aileron rigide, et proposons quelques éléments d'explication à ce résultat.

Les insectes présentent une étonnante diversité morphologique dans les organes de vol, et cette évolution a conduit à leur rayonnement au sein du règne animal. L'une des modifications les plus frappantes est la transformation des ailes postérieures en structures d'équilibrage très réduites, appelées haltères. Des travaux pionniers chez la drosophile ont montré que la spécification des haltères est sous le contrôle du gène Hox Ultrabithorax (Ubx). En revanche, la formation des ailes antérieures est décrite pour être indépendante des gènes Hox, mais cette observation est controversée chez d’autres insectes. Au cours de mon doctorat, j'ai réexaminé le rôle des gènes Hox pour la spécification des organes du vol chez la drosophile. Mes travaux montrent que la protéine Hox Antennapedia (Antp) est exprimée à un niveau faible dans des cellules spécifiques du primordium de la marge et est nécessaire à la formation correcte de l’aile adulte. De manière étonnante, Antp peut également fonctionner comme Ubx et former un haltère quand la protéine est exprimée à des niveaux similaires à ceux de Ubx. Ainsi, la formation d’organes de vol divergents chez la drosophile est directement contrôlée par une dose spécifique de protéine Hox et non par une protéine Hox spécifique. Les gènes Hox sont intrinsèquement liés à l'évolution de la diversité morphologique chez les animaux. Par conséquent, le rôle de la dose des protéines Hox a également été testé d'un point de vue évolutif parmi plusieurs lignages d'insectes. Les résultats montrent que la dose de protéines Hox est à peu près la même entre les primordia antérieur et postérieur d’un insecte à quatre ailes comme Bombyx mori. Dans l’ensemble, mes résultats démontrent que la spécification des organes de vol n’est pas un programme Hox-indépendant et que la variation de la dose des protéines Hox est un moyen de modifier la taille et la forme de l’aile, pouvant ultimement aboutir à la création d’un tout nouvel organe d’équilibrage au cours de l’évolution des insectes. Enfin, au cours de mon doctorat, j'ai également participé à plusieurs projets parallèles visant à identifier et à caractériser le rôle des nouveaux cofacteurs des protéines Hox dans différents contextes développementaux, notamment la spécification de l’haltère et la répression de l'autophagie. Ces travaux s'appuient en partie sur la complémentation de fluorescence bimoléculaire (BiFC), une méthode que nous avons récemment couplée à la panoplie d'outils génétiques de la drosophile pour réaliser des criblages d'interactions protéine-protéine à grande échelle in vivo. / Insects display an astonishing array of diversity in flight appendage morphologies and theirevolution led to the catalyzed radiation of insects in the animal kingdom. The first definite modellinking the Hox genes to morphological evolution was demonstrated in Drosophila. One of themost striking modifications is the transformation of hindwings into highly reduced balancingstructures called halteres. Work in Drosophila established that the specification of halteres isunder the control of a single Hox gene, Ultrabithorax (Ubx). In contrast, the formation of forewingshas been described to be Hox-independent. During my Ph.D., I reconsidered the role of Hox genesfor flight appendage specification in Drosophila. I show that the Hox protein Antennapedia (Antp)is expressed at a low level in specific cells of the wing blade primordium and required for theproper formation of the adult wing. Moreover, Antp works like Ubx to form a haltere whenexpressed in the levels of Ubx. Thus, the formation of divergent flight organs in Drosophila is notdependent on a specific Hox protein but on a specific Hox dose.Hox genes are intrinsically linked to the evolution of morphological diversity in animals.Therefore the role of the Hox dose was also tested from an evolutionary point of view amongseveral insect lineages. Results show that the Hox dose is for example pretty much the samebetween the forewing and hindwing primordia of the four-wing insect species Bombyx mori.Altogether, my results demonstrate that the specification of flight appendages is not aHox-independent developmental program and that the variation in the Hox dose is a way tomodify the wing size and shape, ultimately leading to a completely new balancing organ duringinsect evolution.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Cette maîtrise s’inscrit dans un projet multidisciplinaire de développement d’une hydrolienne à ailes oscillantes de seconde génération (HAO-2) au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Cette hydrolienne complètement submergée est composée de quatre ailes assemblées sur une base par gravité. Ce mémoire comporte deux volets. Le premier porte sur la conception des circuits de couplage pilonnement-tangage et d’extraction d’énergie de la HAO. Les solutions proposées et une vision de la HAO-2 seront présentées en détail. Un banc d’essai expérimental est conçu pour reproduire le circuit de couplage et simuler le mouvement et les efforts sur une aile. Il permet de démontrer la faisabilité du système élaboré et de déterminer son efficacité. Différents actionneurs de tangage ainsi que différents joints d’étanchéité sont analysés. Seulement les composantes offrant les meilleures performances sont présentées dans ce mémoire. Pour le couplage, un rendement maximal de 80% est mesuré. La modélisation des circuits hydrauliques nécessaire au second volet du projet a été calibrée sur les données expérimentales, notamment le frottement dans les joints d’étanchéité. Le second volet vise à modéliser sur le plan économique un parc HAO à différentes échelles et selon différentes conditions d’opération. Le programme dimensionne l’hydrolienne en fonction des conditions d’opération, puis en estime son coût de fabrication et l’énergie produite annuellement. Il calcule aussi le coût d’installation des turbines, le coût du réseau électrique et de son installation et finalement les dépenses en opération et maintenance (O&M). Le modèle tient également compte de la valeur de l’argent dans le temps en utilisant la valeur présente équivalente. Deux critères de performance sont utilisés pour les comparaisons, le coût de production (CP) et le coût de l’énergie (CE). Par ces critères, plusieurs analyses de sensibilité sont réalisées sur les paramètres importants du modèle. Sans aucun doute, le coût de fabrication et les frais d’O&M dominent largement le coût de l’énergie d’une HAO. Un site d’exploitation en particulier est étudié, près de l’Isle-aux-Coudres, sur lequel un CE de 20 ¢/kWh est obtenu pour un parc de 80 HAO de 1.25MW chacune. / This master’s thesis is part of a multidisciplinary project to develop a second generation of tidal oscillating wings turbine (HAO-2) at Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) from Laval University. This tidal turbine completely submerged is composed of four wings assembled on gravity-based structure. This work has two parts. The first one focuses on the hydraulic circuit design of the pitch-heave coupling and the energy extraction system. Proposed solutions and a vision of the HAO-2 will be presented in detail. An experimental apparatus is designed to reproduce the coupling circuit and simulate the motion and forces on a wing. It allows to demonstrate the developed system feasibility and determine its efficiency. Various actuators and seals are analyzed. Only components with the best performances are presented in this paper. For the coupling system, a maximum efficiency of 80% is measured. Hydraulic modeling necessary for the second phase of the project has also been calibrated on experimental data, especially, friction in seals. The second part treats the economic modeling of a tidal turbine farm at different scales and in different operating conditions. The program designs the turbine depending on the operating conditions, and then, it estimates the construction cost and it calculates the annual energy extracted. It also calculates the installation cost, the electricity infrastructure and their installation cost and finally the operation and maintenance cost (O&M) throughout the farm life time. The model also takes into account the value of money over time by using the net present value. For the cases comparison, the production cost (CP) and the energy cost (CE) are used. Several sensitivity analyses are carried out on the important parameters of the model. As would be expected, the construction cost and the O&M cost are key factors governing the energy cost of HAO. A particular site is studied, near the Isle-aux-Coudres, which a energy cost about 20 ¢/kWh is obtained for a farm with 80 HAO of 1.25MW each.

Nous étudions dans cet ouvrage les archers dans l'armée romaine. Nous établissons leur visage de la fin de la République romaine jusqu'à Trajan à travers les sources littéraires, épigraphiques et archéologiques. Nous examinons par la suite l'efficacité de leurs armes et tentons de montrer qu'elles peuvent refléter un véritable travail technique grâce à une étude métallographique, complétée par des analyses physico-chimiques, du mobilier de pointes de flèche découvert au Puy d'Issolud (Lot), l'antique Uxellodunum: l'objectif principal étant la caractérisation, pour ces armes, des structures métallurgiques, des distributions, des morphologies et compositions des phases et des constituants présents. Il est dès lors possible d'imaginer les différents protocoles d'élaboration et les traitements thermo-mécaniques développés par les forgerons pour leur mise en forme et d'apporter de nouveaux éléments à l'histoire des techniques de la forge en relation avec l'armée romaine et plus particulièrement avec les corps et l'armement des archers.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail étudie certains des problèmes les plus pertinents dans le sens de la navigation et contrôle présentés dans une classe particulière de mini-véhicules aériens. L'un des principaux objectifs c'est à réaliser un véhicule léger et facile à déployer dans un court laps de temps, un véhicule sans pilote drone capable de suivre une mission complète, du décollage aux points de cheminement suivants et de terminer la mission avec un atterrissage autonome à l'intérieur d'une zone délimitée en utilisant une interface graphique dans un ordinateur ou une tablette. La génération de trajectoire II est la partie qui dit le drone où il doit voyager et sont générés par un algorithme intégré sur le drone. Le résultat classique de Dubins est utilisé comme base pour la génération de trajectoire en 2D et nous avons étendu à la génération de trajectoire 3D. Une stratégie de suivi de trajectoire développée en utilisant l'approche de Lyapunov, est présentée pour piloter un drone à voilure fixe à travers tout le chemin désiré. Le concept clé derrière le contrôleur de suivi de trajectoire s'appuie sur la réduction de la distance entre le centre de masse de l'avion p et le point sur la trajectoire q à zéro, ainsi que l'angle entre le vecteur vitesse et la tangente à la trajectoire. Afin de tester les techniques mises au point au cours de la thèse une application C# -Net personnalisée a été développé nommé MAV3DSim (Multi-Aerial Vehicle 3D Simulator). Le MAV3DSim permet une opération de lecture/écriture de/vers le moteur de simulation à partir de laquelle nous pourrions recevoir toutes les informations de capteurs émulés et envoyés par le simulateur. Le système complet est capable d'effectuer un décollage et d'atterrissage autonome, à travers des points de suivi. Ceci est accompli en utilisant chacune des stratégies développées au cours de la thèse. Nous avons une stratégie pour le décollage et l'atterrissage, ce qui est généré par la partie de navigation qui est le générateur de trajectoire. Une fois que nous avons généré le chemin, il est utilisé par la stratégie de suivi de trajectoire et avec ce que nous avons l'atterrissage et le décollage autonome. / This work studies some of the most relevant problems in the direction of navigation and control presented in a particular class of mini‐aircraft. One of the main objectives is to build a lightweight and easy to deploy vehicle in a short period of time, an unmanned aerial vehicle capable of following a complete mission from take‐o⁄ to the following waypoints and complete the mission with an autonomous landing within a delimitated area using a graphical interface in a computer. The Trajectory Generation It is the part that tells the drone where it must travel and are generated by an algorithm built into the drone. The classic result of Dubins is used as a basis for the trajectory generation in 2D and we have extended it to the 3D trajectory generation. A path following strategy developed using the Lyapunov approach is presented to pilot a fixed wing drone across the desired path. The key concept behind the tracking controller is the reduction of the distance between the center of mass of the aircraft p and the point q on the path to zero, as well as the angle between the velocity vector and the vector tangent to the path. In order to test the techniques developed during the thesis a customized C # .Net application was developed called MAV3DSim (Multi‐Aerial Vehicle 3D Simulator). The MAV3DSim allows a read / write operation from / to the simulation engine from which we could receive all emulated sensor information and sent to the simulator. The MAV3DSim consists of three main elements, the simulation engine, the computation of the control law and the visualization interface. The simulation engine is in charge of the numeric integration of the dynamic equations of the vehicle, we can choose between a quadrotor and a xed wing drone for use in simulation. The visualization interface resembles a ground station type of application, where all variables of the vehicle s state vector can be represented on the same screen. The experimental platform functions as a test bed for the control law prototyping. The platform consists of a xed wing aircraft with a PX4 which has the autopilot function as well as a Raspberry PI mini‐computer which to the implementation of the generation and trajectory tracking. The complete system is capable of performing an autonomous take‐o⁄and landing, through waypoints. This is accomplished by using each of the strategies developed during the thesis. We have a strategy for take‐o⁄ and landing, which is generated by the navigationon part that is the trajectory generator. Once we have generated the path, it is used by the trajectory tracking strategy and withthat we have landing and take‐o⁄ autonomously.

Au cours des dernières décennies, la possibilité d’exploiter les capacités de vol exceptionnelles des insectes a été à l’origine de nombreuses recherches sur l’élaboration de nano-véhicules aériens (NAVs) à ailes battantes. Cependant, lors de la conception de tels prototypes, les chercheurs doivent analyser une vaste gamme de solutions liées à la grande diversité des insectes volants pour identifier les fonctionnalités et les paramètres adaptés à leurs besoins. Afin d’alléger cette tâche, le but de ce travail est de développer un outil permettant à la fois d’examiner le comportement cinématique et énergétique d’un nano-véhicule aérien à ailes flexibles résonantes, et donc d'évaluer son efficacité. Cet objectif reste néanmoins extrêmement difficile à atteindre car il concerne des objets de très petites tailles. Aussi, nous avons choisi tout d’abord de travailler sur un micro-véhicule aérien (MAV) à ailes battantes. Il s’agit avant tout de valider l’outil de modélisation à travers une comparaison systématique des simulations avec des résultats expérimentaux effectués lors de l’actionnement des ailes, puis au cours du décollage et du vol stationnaire du prototype. Une partie des connaissances et expériences acquises pourra ensuite être utilisée afin de mieux comprendre le fonctionnement et identifier la distribution d'énergie au sein du NAV. Bien que les deux véhicules s’inspirent directement de la cinématique des ailes d'insectes, les mécanismes d'actionnement des ailes artificielles des deux prototypes ne sont pas les mêmes en raison de la différence de taille. Comme le NAV est plus petit, ces ailes ont un mouvement de battement à une fréquence plus élevée que celles du MAV, à l’instar de ce qui existe dans la nature. En conséquence, lorsque l’on passe du MAV au NAV, le mécanisme d’actionnement des ailes doit être adapté et cette différence nécessite d’une part, de revoir la conception, l'approche de modélisation et le processus d'optimisation, et d’autre part, de modifier le procédé de fabrication. Une fois ces améliorations apportées, nous avons obtenu des résultats de simulations en accord avec les tests expérimentaux. Le principal résultat de ce travail concerne l’obtention pour les deux prototypes, le MAV et le NAV, d’une cinématique appropriée des ailes, qui conduit à une force de portance équivalente au poids. Nous avons d’ailleurs démontré que le MAV était capable de décoller et d’avoir un vol stationnaire stable selon l’axe vertical. En tirant parti des modèles basés sur le langage Bond Graph, il est également possible d'évaluer les performances énergétiques de ces prototypes en fonction de la dynamique de l'aile. En conclusion, cette étude contribue à la définition des paramètres essentiels à prendre en compte lors de la conception et l'optimisation énergétique de micro et nano-véhicules à ailes battantes. / In recent decades, the prospect of exploiting the exceptional flying capacities of insects has prompted much research on the elaboration of flapping-wing nano air vehicles (FWNAV). However, when designing such a prototype, designers have to wade through a vast array of design solutions that reflects the wide variety of flying insects to identify the correct combination of parameters to meet their requirements. To alleviate this burden, the purpose of this work is to develop a suitable tool to analyze the kinematic and power behavior of a resonant flexible-wing nano air vehicle. The key issue is evaluating its efficiency. However, this ultimate objective is extremely challenging as it is applied to the smallest flexible FWNAV. However, in this work, we worked first with a flapping-wing micro air vehicle (FWMAV) in order to have a tool for the simulation and experimentation of wing actuation, take-off and hovering. Some of the knowledge and experience acquired will then be transferred to better understand how our FWNAV works and identify the energy, power distribution. Although both of the vehicles employ the insect wing kinematics, their wings actuation mechanisms are not the same due to their sizes difference. Since the FWNAV is smaller, their wings flap at a higher frequency than the FWMAV as inspired by nature. As a consequence, from MAV to NAV, the wing actuation mechanism must be changed. Throughout this work, it can be seen clearly that this difference affects the whole vehicles development including the design, the manufacturing method, the modeling approach and the optimizing process. It has been demonstrated that the simulations are in good correlation with the experimental tests. The main result of this work is the proper wing kinematics of both FWMAV and FWNAV which leads to a lift to the weight ratio bigger and equal to one respectively. The FWMAV is even success to take-off and vertically stable hover. Moreover, taking advantage of the Bond Graph-based models, the evolution power according to the wing dynamic and the efficiency of the subsystem can be evaluated. In conclusion, this study shows the key parameters for designing and optimizing efficiency and the lift generated for two flapping wing vehicles in different size regimes.

L'optimisation multicritère de la cinématique de battement d'aile d'un mini-drône à ailes battantes est réalisée en vol de croisière. L'objectif est, pour différentes familles de cinématiques et pour différentes vitesses d'avancement, de trouver des solutions maximisant l'efficacité propulsive, minimisant l'écart à la portance cible et minimisant le moment aérodynamique. Nous avons choisi les algorithmes évolutionnaires pour résoudre ce problème multicritère pour leur simplicité d'implantation, leur flexibilité et leur bon rapport qualité des résultats/coût de calcul. En raison de la nature multicritère du problème, il existe un ensemble de solutions optimales et non pas une unique solution au problème, ce qui pose la question de la maniere de visualiser, d'analyser et d'extraire une solution satisfaisante parmi le groupe de solutions Pareto optimales. Nous avons identifié des methodes simples susceptibles d'aider a accomplir cette tâche, la "Scatter-Plot Matrix Method" pour visualiser les surfaces et ensembles de Pareto, l'utilisation d'une régression multivariée pour établir le lien entre paramètres cinématiques et critères optimisés, la méthode des normes Lp pour identifier une solution compromis au sein de la surface de Pareto, les arbres de décision pour trouver les paramètres de la cinématique auxquels le voisinage de la solution compromis est sensible et les cartes de Kohonen pour étudier la structure de ce voisinage. Ces différents outils nous ont permis, pour chaque famille de cinématiques (dièdre, dièdre et tangage, dièdre et tangage à deux panneaux), d'identifier une solution compromis et les paramètres cinématiques qui impactent le plus le voisinage du point compromis. Les caractéristiques de chaque solution compromis ont ete comparées à des mesures de puissance et de coefficients de traînée faites sur des oiseaux en vol de croisiere, et la légitimité d'appliquer un modèle linéarisé dans le cas de cette solution compromis est mise à l'épreuve en calculant des nombres adimensionés caractéristiques comme le nombre de Strouhal ou la fréquence réduite dont les petites valeurs attestent d'un cas favorable à une approche linéarisée. Puis, la comparaison de la fréquence de battement d'aile obtenue à celle d'un oiseau géométriquement similaire est faite, et elle montre que plus la cinématique est riche plus cette fréquence de battement se rapproche de celle de l'oiseau en question, ce qui constitue un résultat encourageant pour notre approche.