La modulation de frottement par vibrations ultrasoniques est une des méthodes utilisées pour produire une stimulation tactile. L’amplitude de vibration est modulée en fonction de la position du doigt pour donner l’illusion à l’utilisateur de toucher une texture. L’objectif de cette thèse est de développer une interface tactile permettant de simuler la sensation tactile de textures complexes telles que des surfaces textiles. Pour ce faire, nous avons tout d’abord implanté une méthode de contrôle robuste du stimulateur tactile du L2EP grâce au développement d’un modèle du comportement vibratoire. Ce contrôle assure également le suivi de la fréquence de résonance afin d’optimiser l’efficacité énergétique du dispositif. Dans un second temps et après avoir évalué la relation entre les aspects tribologiques de l’interaction doigt/stimulateur et la perception des stimuli, nous avons prouvé par une étude statistique que le «contraste en frottement» est le paramètre le plus significatif et donc celui à programmer pour qualifier la variation de perception du frottement. Cette étude nous a menés à concevoir un nouveau dispositif tactile appelé SmartTac, intégrant des nouveaux capteurs de force permettant de mesurer et contrôler directement le coefficient de frottement qu’il soit adaptatif au doigt du sujet. Enfin, après avoir décrit une méthode d’extraction des propriétés tribologiques de trois surfaces textiles très différentes, la simulation de ces textures est entreprise avec le SmartTac. Notre approche est testée par la réalisation d’une expérience psychophysique sur la correspondance entre surfaces simulées et surfaces réelles: un taux de réussite de 78% valide notre démarche. / The friction modulation produced by ultrasonic vibrations is one of the methods which produce the tactile stimulation. The vibration amplitude is modulated depending on the finger position to give the illusion of touching a texture. This thesis aims at developing a tactile device able to simulate the sensation of touching complex textures such as textile fabrics. For this aim, we modelled first the vibration behaviour and proposed a new strategy to track the resonance frequency of the tactile device and to improve the robustness of the control. On the other hand, the relationship between the tribological aspects of interaction finger / stimulator and the perception of stimuli is assessed to define the most perceived tribological criteria. The tribological parameter named “friction contrast” is introduced. Following this tribological study, we developed a new tactile device called SmartTac integrating new force sensors to measure and control directly the coefficient of friction and to make it adaptive to the user’s finger. Last, a method for extracting the tribological properties of three various textile fabrics is applied to simulate them. Our method is validated by conducting a psychophysical experiment with a success rate of 78%, matching the simulated surfaces to real surfaces.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La modélisation de robots souples est extrêmement difficile, à cause notamment du nombre théoriquement infini des degrés de liberté. Cette difficulté est accentuée lorsque les robots ont des configurations complexes. Ce problème de modélisation entraîne de nouveaux défis pour la calibration et la conception des commandes des robots, mais également de nouvelles opportunités avec de nouvelles stratégies de détection de force possibles. Cette thèse a pour objectif de proposer des solutions nouvelles et générales utilisant la modélisation et la vision. La thèse présente dans un premier temps un modèle cinématique à temps discret pour les robots souples reposant sur la méthode des éléments finis (FEM) en temps réel. Ensuite, une méthode de calibration basée sur la vision du système de capteur-robot et des actionneurs est étudiée. Deux contrôleurs de position en boucle fermée sont conçus. En outre, pour traiter le problème de la perte d'image, une stratégie de commande commutable est proposée en combinant à la fois le contrôleur à boucle ouverte et le contrôleur à boucle fermée. Deux méthodes (avec et sans marqueur(s)) de détection de force externe pour les robots déformables sont proposées. L'approche est basée sur la fusion de mesures basées sur la vision et le modèle par FEM. En utilisant les deux méthodes, il est possible d'estimer non seulement les intensités, mais également l'emplacement des forces externes. Enfin, nous proposons une application concrète : un robot cathéter dont la flexion à l'extrémité est piloté par des câbles. Le robot est contrôlé par une stratégie de contrôle découplée qui permet de contrôler l’insertion et la flexion indépendamment, tout en se basant sur un modèle FEM. / The modeling of soft robots which have, theoretically, infinite degrees of freedom, are extremely difficult especially when the robots have complex configurations. This difficulty of modeling leads to new challenges for the calibration and the control design of the robots, but also new opportunities with possible new force sensing strategies. This dissertation aims to provide new and general solutions using modeling and vision. The thesis at first presents a discrete-time kinematic model for soft robots based on the real-time Finite Element (FE) method. Then, a vision-based simultaneous calibration of sensor-robot system and actuators is investigated. Two closed-loop position controllers are designed. Besides, to deal with the problem of image feature loss, a switched control strategy is proposed by combining both the open-loop controller and the closed-loop controller. Using soft robot itself as a force sensor is available due to the deformable feature of soft structures. Two methods (marker-based and marker-free) of external force sensing for soft robots are proposed based on the fusion of vision-based measurements and FE model. Using both methods, not only the intensities but also the locations of the external forces can be estimated.As a specific application, a cable-driven continuum catheter robot through contacts is modeled based on FE method. Then, the robot is controlled by a decoupled control strategy which allows to control insertion and bending independently. Both the control inputs and the contact forces along the entire catheter can be computed by solving a quadratic programming (QP) problem with a linear complementarity constraint (QPCC).

Dans la majeure partie des travaux effectués dans le domaine de la surveillance des systèmes, les outils servant à la détection et à la localisation des défauts sont synthétisés à partir d'une représentation en boucle ouverte du système. Or, la réalité des applications industrielles fait que les systèmes sont majoritairement insérés dans une boucle de régulation ou d'asservissement. Dans ce contexte, la tâche de diagnostic s'avère particulièrement délicate pour différentes raisons. D'une part, le contrôleur peut atténuer l'effet des défauts ce qui rend difficile leur détection. D'autre part, les entrées du système étant corrélées avec les sorties à cause du bouclage cela engendre une difficulté pour la localisation.<br />Les travaux présentés dans cette thèse se scindent en deux parties: la première porte sur l'analyse systématique de la sensibilité des différents signaux de la boucle de régulation par rapport aux défauts (paramétriques et non paramétriques). L'objectif est de sélectionner ceux qui contiennent le plus d'information sur les défauts pour être exploités par la procédure du diagnostic. La deuxième propose une méthode de détection et de localisation de défauts des systèmes linéaires en boucle fermée soumis à des défauts additifs. Le principe de la méthode consiste à découpler les défauts des sorties afin que chaque défaut affecte une seule sortie ce qui facilite leur localisation.

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

Le but de la thèse est de développer des stratégies de contrôle efficaces pour la réduction de la trainée aérodynamique des véhicules terrestres. Nous examinons expérimentalement les effets d’un forçage fluidique sur le sillage d’un modèle de véhicule simplifié à culot droit. Le forçage est effectué par des jets pulsés aux arêtes et16 capteurs de pression répartis à la surface arrière permettent d’estimer la traînée instantanée. Nous abordons le problème difficile du contrôle de l’écoulement turbulent non linéaire---qui est souvent au-delà des capacités de la modélisation réduite---par le développement d'une stratégie de contrôle sans modèle: le contrôle via la programmation génétique linéaire (LGPC) dirigé par les données. Cette méthode explore et exploite la dynamique fortement non linéaire d'une manière non supervisée avec pas ou peu de connaissances antérieures sur le système.Le problème est de trouver une logique de contrôle qui optimise une fonction de coût donnée. Cette optimisation est réalisée par la programmation génétique linéaire comme un solveur de régression simple dans un espace de recherche de grande dimension. En particulier, cette recherche fait progresser et généralise les études antérieures sur le contrôle via la programmation génétique en incluant le forçage multi-fréquences, le signal des capteurs,l’historique des informations temporelles et leurs combinaisons dans l'espace de recherche de contrôle. La performance de LGPC est démontrée avec succès sur les expériences de contrôle de traînée du modèle de véhicule simplifié où le sillage turbulent présente une symétrie latérale et une asymétrie normale à la paroi. Environ 33% de récupération de pression au culot associée à 22% de réduction de trainée est obtenue dans toutes les classes de loisde contrôle considérées. L'énergie consommée du forçage ne représente que 30% de l'énergie aérodynamique récupérée. Dans ce travail, nous étudions également les sillages turbulents ayant une asymétrie latérale: un sillage intermittent et bi-modal à dérapage nul et un sillage asymétrique avec un angle de dérapage modéré de 5 degrés.Pour le sillage intermittent, un contrôle de rétroaction en opposition basé sur la physique est déduit à partir des essais précédents de contrôle en boucle ouverte. Le contrôleur supprime avec succès la bi-modalité du sillage et rend le sillage symétrique avec une réduction de traînée concomitante. Pour le sillage asymétrique en dérapage,nous construisons un contrôle bi-fréquence à l’arête au vent à partir des résultats de forçage à fréquence unique. Ce forçage bi-fréquentiel comprend deux fréquences ayant une différence d'un ordre de grandeur. Il combine les effets favorables de la vectorisation du sillage et le contrôle de l'équilibre des couches de cisaillement. Il est important de noter que la stratégie LGPC est également appliqué à cette situation en dérapage et converge vers le même forçage bi-fréquentiel. Les stratégies de contrôle proposées dans cette étude ouvrent de nouveaux chemins prometteurs pour le contrôle de la réduction de la traînée dans des conditions plus complexes de vitesse amont variable ou de rafale. / The thesis aims to develop effective active flow control strategies for aerodynamic drag reduction of road vehicles.We experimentally examine the effects of fluidic actuation on the wake past a simplified square-back car model.The actuation is performed with pulsed jets at trailing edges and the flow is monitored with 16 pressure sensors distributed at the rear side. We address the challenging nonlinear turbulence control---which is often beyond the capabilities of model-oriented approach---by developing a simple yet powerful model-free control strategy: the data-driven linear genetic programming control (LGPC). This method explores and exploits strongly nonlinear dynamics in an unsupervised manner with no or little prior knowledge about the system. The control problem is to find a control logic which optimizes a given cost function by employing linear genetic programming as an easy and simple regression solver in a high-dimensional control search space. In particular, the present work advances and generalizes the previous studies of genetic programming control by comprising multi-frequency forcing, sensor-based feedback including also time-history information feedback and combinations thereof in the control search space. The performance of LGPC is successfully demonstrated on the drag control experiments of the car model where the investigated turbulent wake exhibits a spanwise symmetry and a wall-normal asymmetry. Approximately 33% base pressure recovery associated with 22% drag reduction is achieved in all considered classes of control laws. The consumed actuation energy accounts for only 30% of the aerodynamic power saving. In this research, we also study the turbulent wakes having a lateral asymmetry: an intermittent bi-modal wake at zero yaw and an asymmetric wake at a moderate yaw angle of 5 degree. For the bimodal wake exhibiting are flectional symmetry-breaking, a physics-based opposition feedback control is inferred from the previous open loop control tests. The controller successfully suppresses the bi-modality of the wake and renders a symmetrized wake with a concomitant drag reduction. For the asymmetric wake at yaw, we infer from the single-frequency forcing results a bi-frequency control at the windward edge comprising two frequencies having one order of magnitude difference. This bi-frequency actuation combines the favorable effects of fluidic boat-tailing and balance control of the shear layers. Importantly, LGPC is also applied to this yawed situation and converges to the same bi-frequency actuation. The control strategies proposed in the present study open promising new paths for the control of drag reduction in more complex conditions such as the varying oncoming velocity and wind gust.

Cette thèse s'attache à la commande de certains systèmes écologiques en chemostat (appareil de culture de micro--organismes en laboratoire). Nous commençons par un aperçu des modèles de compétition et de chaîne trophique dans le chemostat ainsi qu'un rappel des concepts basiques de la théorie de la commande adaptée aux équations du chemostat. Ceci nous permet de montrer quelques applications pratiques et aussi de mettre en évidence la complexité mathématique de la commande.<br /><br />La première partie considère la commande robuste d'un chemostat simple qui présente des imprécisions déterministes tant dans le modèle que dans la sortie, ainsi que des retards dans la sortie. Nous construisons une famille de boucles de rétroaction qui stabilise le modèle dans un polytope déterminé<br />par la grandeur des imprécisions. Cette famille stabilise aussi la sortie autour d'une consigne en présence des retards, mais en l'absence d'imprécision<br />sur le modèle et la sortie.<br /><br />La deuxième partie considère la commande en boucle<br />fermée d'un modèle de compétition entre espèces<br />qui permet la coexistence de celles--ci. Nous généralisons un résultat proposé par P. De Leenher et H.Smith dans deux directions: considération de fonctions de croissance plus générales et prise en compte de la mortalité des espèces.<br /><br />La troisième partie considère la commande en boucle ouverte d'une chaîne trophique dans un chemostat. Nous présentons une méthode de réduction de dimension qui permet de caractériser l'ensemble d'atteignabilité du système et d'obtenir un <br />résultat sur la commandabilité partielle de la chaîne.

La maladie de Parkinson est la seconde maladie neuro-dégénérative la plus fréquente à travers le monde. Dans ce contexte, le projet de recherche associé à cette thèse vise à améliorer le traitement symptomatique de la maladie de Parkinson, par le développement de procédés de stimulation cérébrale profonde adaptative. Le travail de cette thèse repose sur la conception d'un ASIC d'enregistrement et de traitement de signaux neuronaux, répondant à divers enjeux :un traitement continu et en temps réel focalisé sur des bandes spécifiques très basses-fréquences et largement configurables. L'objectif est d'utiliser l'information traitée pour le contrôle et la génération d'un signal de stimulation. Cet ASIC a été développé, caractérisé électroniquement et utilisé dans un contexte in vivo. Un système en boucle fermée a été réalisé à partir de cet ASIC, se montrant fonctionnel. Ces validations expérimentales in vivo ouvrent de nombreuses possibilités d'investigation du concept de stimulation cérébrale en boucle fermée.

Le décollement de la couche limite sur un volet est responsable de pertes de performances importantes, telles qu'une chute de la portance et une augmentation de la traînée, lors des phases de décollage et d'atterrissage d'un avion. Les aéronefs modernes sont équipés de volets dont le déploiement laisse apparaître une fente qui permet d'augmenter la portance aux faibles vitesses. Les mécanismes de déploiement associés sont lourds et complexes. Dans le but de les simplifier, l'idée consiste à supprimer la fente entre le volet et l'aile, et à la remplacer par un dispositif de contrôle du décollement de type " soufflage pulsé ". Les travaux de thèse proposent l'adaptation temps-réel en boucle fermée des paramètres du soufflage, c'est-à-dire la quantité de mouvement injectée dans l'écoulement et la fréquence de forçage. Les algorithmes de contrôle développés durant l'étude ont permis de répondre à deux objectifs, le premier étant de maintenir l'écoulement attaché lors d'un braquage progressif du volet, et le second de garantir une portance maximale malgré le décollement qui survient inévitablement aux forts angles de braquage lorsque l'apport de quantité de mouvement du contrôle est trop faible. Ces deux objectifs se classent respectivement dans le cadre du contrôle direct du décollement (flow separation control) et le cadre du contrôle des écoulements décollés (separated-flow control).

Les systèmes d’imagerie médicale ultrasonore ont considérablement amélioré le diagnostic clinique par une meilleure qualité des images grâce à des systèmes plus sensibles et des post-traitements. La communauté scientifique de l’imagerie ultrasonore a consenti à un très grand effort de recherche sur les posttraitements et sur le codage de l’excitation sans s’intéresser, outre mesure, aux méthodes de commandeoptimale. Ce travail s’est donc légitimement tourné vers les méthodes optimales basées sur l’utilisationd’une rétroaction de la sortie sur l’entrée. Pour rendre applicable ces méthodes, ce problème complexe decommande optimale a été transformé en un problème d’optimisation paramétrique sous-optimal et plussimple. Nous avons appliqué ce principe au domaine de l’imagerie ultrasonore : l’échographie, l’imagerieharmonique native et l’imagerie harmonique de contraste avec ou sans codage de la commande.La simplicité de l’approche nous a permis, par une modification de la fonction de coût, de l’adapter àl’imagerie harmonique. Cette adaptation montre que la méthode peut être appliquée à l’imagerie ultrasonoreen générale. / Medical ultrasound imaging systems have greatly improved the clinical diagnosis by improvingthe image quality thanks to more sensitive systems and post-processings. The scientific community has madea great effort of research on post-processing and on encoding the excitation. The methods of the optimalcontrol have been neglected. Our work has focused on the optimal methods based on the feedback fromoutput to input. We have transformed the complex problem of optimal control into an easier suboptimalparametric problem. We apply the principle of optimal control to the ultrasound imaging, the ultrasoundharmonic imaging and to the constrast harmonic imaging with or without encoding.The simplicity of the method has allowed us to adapt it to harmonic imaging by a change in the costfunction. This adaptation shows that our method can usually be applied to the ultrasound imaging.