Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Le sport adapté est en plein essor afin de contrer la sédentarité particulièrement présente chez les personnes vivant avec une incapacité physique. De ces sports, la course en fauteuil roulant est pilier à la culture parasportive québécoise et un des plus représentés lors des paralympiques. Il reste beaucoup de travail à faire pour diminuer les inégalités entre les ressources offertes aux athlètes avec et sans incapacités. Les athlètes de course en fauteuil ont notamment exprimé un besoin d innovation technologique pour les guider dans leur carrière athlétique. Considérant l importance de la vitesse selon les acteurs terrain et scientifiques, l analyse de celle-ci est considérée comme étant prioritaire. Les capteurs inertiels ont montré du potentiel pour répondre à ces besoins. Cependant, cette technologie est récente et leurs qualités psychométriques, jugées comme primordiales, sont quasi inexistantes dans la littérature. Le premier objectif de ce mémoire est de développer des indicateurs de la cinématique du fauteuil et de caractéristiques spatio-temporelles à base de capteurs inertiels. Le second objectif est d évaluer les qualités psychométriques (validité concurrente et fidélité test-etest) de tels indicateurs. Nous avons émis comme hypothèse que les indicateurs allaient posséder une bonne fidélité test-retest et une validité concurrente élevée avec un système optique. Après familiarisation, treize personnes sans incapacités ont effectué des accélérations maximales de 36 m sur un fauteuil roulant athlétique lors de deux visites. La cinématique a été estimée en utilisant un capteur inertiel (Physilog, Mindmaze) positionné sur le cadre et un système optique (SciencePerfo, Speedtracker). Des indicateurs ont été extraits de l accélération et de la vitesse des systèmes. La fidélité test-retest est ressortie comme modérée à bonne, tandis que 5 des 28 indicateurs ont montré une faible fidélité. Les corrélations entre les deux systèmes sont élevées à très élevées (0,78 0,99). Les résultats suggèrent que les indicateurs sont précis et soutiennent leur utilisation. / Adapted sports are increasing in popularity as a means of opposing the sedentary lifestyle that is particularly prevalent among people with physical disabilities. Of these sports, wheelchair racing is a pillar of Quebec's parasport culture and one of the most represented at the Paralympics. Much remains to be done to reduce the investment inequalities between athletes with and without disabilities. In particular, wheelchair racing athletes have expressed a need for technological innovation to guide them in their athletic careers. Considering the importance of speed according to athletes and researchers, its analysis is considered a priority. Inertial sensors have shown potential to fulfill these needs. However, this technology is recent and the psychometric properties of reported indicators, considered to be essentials, are virtually nonexistent in the scientific literature. The first objective of this master's thesis is to develop inertial sensor-based indicators of wheelchair kinematics and spatio-temporal characteristics. The second objective is to assess the psychometric qualities (concurrent validity and test-retest reliability) of such indicators. We hypothesized that the indicators would have good test-retest reliability and high concurrent validity with an optical system. After familiarization, thirteen people without disabilities performed maximum accelerations of 36m on a racing wheelchairduring two visits. The wheelchair kinematics were estimated using an IMU (Physilog, Mindmaze) positioned on the frame and an optical system (SciencePerfo, Speedtracker).Indicators were extracted from the systems' acceleration and velocity. Test-retest fidelity was found to be moderate to good, while 5 of the 28 indicators showed low fidelity. Correlations between the two systems were high to very high (0,78 -- 0,99). The results suggest that theindicators developed are accurate and support their use to assess wheelchair kinematics over a short distance.

Les réseaux de capteurs sont formés d’un ensemble de dispositifs capables de prendre individuellement des mesures d’un environnement particulier et d’échanger de l’information afin d’obtenir une représentation de haut niveau sur les activités en cours dans la zone d’intérêt. Une telle détection distribuée, avec de nombreux appareils situés à proximité des phénomènes d’intérêt, est pertinente dans des domaines tels que la surveillance, l’agriculture, l’observation environnementale, la surveillance industrielle, etc. Nous proposons dans cette thèse plusieurs approches pour effectuer l’optimisation des opérations spatio-temporelles de ces dispositifs, en déterminant où les placer dans l’environnement et comment les contrôler au fil du temps afin de détecter les cibles mobiles d’intérêt. La première nouveauté consiste en un modèle de détection réaliste représentant la couverture d’un réseau de capteurs dans son environnement. Nous proposons pour cela un modèle 3D probabiliste de la capacité de détection d’un capteur sur ses abords. Ce modèle inègre également de l’information sur l’environnement grâce à l’évaluation de la visibilité selon le champ de vision. À partir de ce modèle de détection, l’optimisation spatiale est effectuée par la recherche du meilleur emplacement et l’orientation de chaque capteur du réseau. Pour ce faire, nous proposons un nouvel algorithme basé sur la descente du gradient qui a été favorablement comparée avec d’autres méthodes génériques d’optimisation «boites noires» sous l’aspect de la couverture du terrain, tout en étant plus efficace en terme de calculs. Une fois que les capteurs placés dans l’environnement, l’optimisation temporelle consiste à bien couvrir un groupe de cibles mobiles dans l’environnement. D’abord, on effectue la prédiction de la position future des cibles mobiles détectées par les capteurs. La prédiction se fait soit à l’aide de l’historique des autres cibles qui ont traversé le même environnement (prédiction à long terme), ou seulement en utilisant les déplacements précédents de la même cible (prédiction à court terme). Nous proposons de nouveaux algorithmes dans chaque catégorie qui performent mieux ou produits des résultats comparables par rapport aux méthodes existantes. Une fois que les futurs emplacements de cibles sont prédits, les paramètres des capteurs sont optimisés afin que les cibles soient correctement couvertes pendant un certain temps, selon les prédictions. À cet effet, nous proposons une méthode heuristique pour faire un contrôle de capteurs, qui se base sur les prévisions probabilistes de trajectoire des cibles et également sur la couverture probabiliste des capteurs des cibles. Et pour terminer, les méthodes d’optimisation spatiales et temporelles proposées ont été intégrées et appliquées avec succès, ce qui démontre une approche complète et efficace pour l’optimisation spatio-temporelle des réseaux de capteurs. / Sensor networks consist in a set of devices able to individually capture information on a given environment and to exchange information in order to obtain a higher level representation on the activities going on in the area of interest. Such a distributed sensing with many devices close to the phenomena of interest is of great interest in domains such as surveillance, agriculture, environmental monitoring, industrial monitoring, etc. We are proposing in this thesis several approaches to achieve spatiotemporal optimization of the operations of these devices, by determining where to place them in the environment and how to control them over time in order to sense the moving targets of interest. The first novelty consists in a realistic sensing model representing the coverage of a sensor network in its environment. We are proposing for that a probabilistic 3D model of sensing capacity of a sensor over its surrounding area. This model also includes information on the environment through the evaluation of line-of-sight visibility. From this sensing model, spatial optimization is conducted by searching for the best location and direction of each sensor making a network. For that purpose, we are proposing a new algorithm based on gradient descent, which has been favourably compared to other generic black box optimization methods in term of performance, while being more effective when considering processing requirements. Once the sensors are placed in the environment, the temporal optimization consists in covering well a group of moving targets in the environment. That starts by predicting the future location of the mobile targets detected by the sensors. The prediction is done either by using the history of other targets who traversed the same environment (long term prediction), or only by using the previous displacements of the same target (short term prediction). We are proposing new algorithms under each category which outperformed or produced comparable results when compared to existing methods. Once future locations of targets are predicted, the parameters of the sensors are optimized so that targets are properly covered in some future time according to the predictions. For that purpose, we are proposing a heuristics for making such sensor control, which deals with both the probabilistic targets trajectory predictions and probabilistic coverage of sensors over the targets. In the final stage, both spatial and temporal optimization method have been successfully integrated and applied, demonstrating a complete and effective pipeline for spatiotemporal optimization of sensor networks.

Dans cette recherche, on a conçu et validé un nouveau noeud sans fil qui sera intégré dans un système automatique de contrôle des structures de génie civil. Le prototype est conçu à partir des dernières technologies dans le domaine des systèmes embarqués. Le prototype utilise la technologie développée pour les réseaux sans fil personnels WPAN (Wireless Personal Area Network) pour la transmission de données vers la centrale locale d'interrogation des données. Les capacités de calcul que le prototype possède nous permettent d'implémenter et d'exécuter plusieurs algorithmes de contrôle de l'état des structures. La transformée de Fourier rapide est utilisée comme algorithme illustratif dans le noeud sans fil. L'objectif de cette recherche est de mettre en place un réseau de capteurs sans fil qui supporte le calcul collaboratif en temps réel des dominées mesurées, pour l'identification des dommages potentiels dans la structure.

Cette thèse traite du suivi automatique de personne à travers la mise en oeuvre d'un système de vision hybride alliant un capteur ayant un grand champ de vue et une résolution faible avec un dispositif Pan-Tilt-Zoom orientable garantissant le détail de l'information. Une première partie est consacrée à la proposition d'une solution originale de calibrage lorsque les centres optiques des deux capteurs sont pratiquement confondus. Dans une seconde partie, nous abordons la mise en relation des informations extraites de chaque capteur et leur enrichissement mutuel nécessaire à la relation du suivi de personne basée sur une approche de filtrage particulaire : l'étape de prédiction du filtre est guidée par la détection issue de la caméra statique et la mesure est donnée par une modélisation d'apparence de la cible extraite de la caméra dynamique. Enfin, les premiers résultats de suivi sont présentés et analysés.

Dans cette thèse nous étudions le problème de détection et localisation de défauts (FDI) diagonal avec une banque d'observateurs. Nous étudions ce problème sur la classe des systèmes linéaires structurés avec leurs graphes associés. Les systèmes structurés sont une classe particulière des systèmes linéaires où les éléments des matrices sont soit fixés à zéro soit des paramètres libres. On présente une condition nécessaire et suffisante pour la solubilité générique du problème FDI. Cette condition est à vérifier sur le graphe orienté associé au système structuré. Dans le cas où cette condition n'est pas vérifiée, nous présentons une décomposition du système qui donne des informations structurelles sur le placement de capteurs additionnels qui sont nécessaires pour remplir la condition. Dans le cas où la condition de solubilité générique du problème FDI est vérifiée, nous présentons aussi une classification des capteurs selon leur importance pour la solubilité générique du problème FDI.

Dans ce travail, on étudie les problèmes de localisation et de classification des capteurs pour des propriétés génériques - propriétés valables pour presque toutes les valeurs des paramètres. Lorsqu'une propriété donnée du système n'est pas vérifiée avec l'ensemble des capteurs, on cherche à implanter de nouveaux capteurs pour rendre la propriété vraie. Lorsqu'une propriété est vérifiée avec l'ensemble des capteurs existants, on classe les capteurs en fonction de leur criticité relativement à la propriété. La thèse caractérise les capteurs essentiels, ceux qui doivent être sans défaut. La défaillance d'un de ces capteurs essentiels fait perdre la propriété. Les capteurs inutiles qui peuvent tomber en panne sans aucun impact sur la propriété sont également caractérisés. Cette approche a été appliquée à deux propriétés: l'observabilité et le rejet de perturbation par retour de mesure. Tous les résultats ont été obtenus par une approche graphique et sont simple à implanter numériquement.

L'une des principales difficultés dans l'utilisation de capteurs chimiques concerne le manque de sélectivité inhérent à ces dispositifs. La stratégie classique pour faire face à ce problème est fondée sur le développement de nouvelles membranes qui conduisent à des capteurs plus sélectifs. Toutefois, plus récemment, on a démontré que ce problème peut également être traité par une autre approche, dans laquelle l'acquisition de données est effectuée par un réseau de capteurs qui ne sont pas forcément sélectifs. Ainsi, dans une deuxième étape, les informations pertinentes sont récupérées à l'aide des outils de traitement de signal. L'un des bénéfices le plus remarquable dans cette démarche concerne la flexibilité du système de mesure : le même réseau de capteurs peut être utilisé pour réaliser différents types d'analyse. Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation de réseaux de capteurs dans le problème de l'analyse chimique quantitative. Cependant, contrairement à la grande majorité des travaux dans cette ligne, notre approche envisage des solutions non-supervisées, n'ayant pas besoin d'une étape d'étalonnage. Cette situation peut être formulée comme un problème de séparation aveugle de sources. Puisque les capteurs chimiques considérés dans cette recherche présentent des réponses non-linéaires, le processus de mélange sous-jacent au réseau de capteurs est non-linéaire, ce qui rend le problème difficile. Les principales contributions de cette recherche sont liées justement au développement de méthodes de séparation des mélanges non-linéaires sur mesure pour les réseaux d'électrodes sélectives potentiométriques. Nous considérons des solutions fondées sur l'analyse en composantes indépendantes, mais également sur d'autres stratégies qui nous permettent de prendre en compte des connaissances a priori typiques dans l'application ciblée dans cette recherche, comme la positivité des activités chimiques.

Cette thèse a pour objectif le développement d'un système multi-capteurs de gaz permettant une évaluation en continu et en temps réel des différentes types de pollution atmosphérique en zone urbain, en classifiant notamment les pollutions de type urbaine, photochimique, ou encore liée au trafic. Le projet se base sur l'utilisation de différents capteurs de gaz de type semi-conducteur disponibles dans le commerce qui sont intégrés dans un dispositif autonome et portable, afin qu'il puisse fonctionner sur site.Dans un premier temps, et en grande partie à Saint-Etienne, différents types de capteurs sont sélectionnés puis leurs performances sont testées sur un banc simulant les atmosphères polluées et développé pour l'occasion. Afin de pallier aux problèmes de non répétabilité et de dérive de la ligne de base et de la sensibilité, des procédures de prétraitement de standardisation sont mises au point.Dans un deuxième temps, et en grande partie à Douai, différents sites de tests sont identifiés et leurs historiques de pollution sont étudiés. Plusieurs campagnes en stations de mesure d'une semaine, recouvrant les différentes saisons et les différents types de sites, sont alors menées. Il y est collecté conjointement les signaux des capteurs et des analyseurs de gaz réglementés. Des méthodes basées sur les réseaux de neurones sont alors appliquées afin d'obtenir conjointement, à partir des signaux des capteurs, une classification parmi 3 types de pollutions (urbaine, trafic et photochimique) ainsi qu'un indicateur global de qualité de l'air. Ces méthodes utilisent une approche basée sur la logique floue afin d'éviter les problèmes d'effet de bord.

Pouvoir lutter efficacement contre certains fléaux comme les incendies de forêt, les feux de brousse ou les catastrophes naturelles constitue un enjeu majeur dans plusieurs villes du monde.Avec l'avènement de la technologie de pointe représentée par les réseaux de capteurs, la détection de ces phénomènes devient plus aisée.En effet, des capteurs peuvent être déployés dans des zones difficiles d'accès et s'ils sont suffisamment nombreux pour couvrir la totalité de l'environnement à surveiller, une alerte peut être directement donnée par le capteur ayant détecté un certain type d'évènement (feu, secousse sismique...).Le centre de contrôle ayant reçu l'alerte peut ensuite décider d'intervenir sur la zone en cause.Nos travaux se situent dans ce cadre de la détection de phénomènes par un réseau de capteurs, en supposant que l'environnement est connu et que les capteurs sont mobiles, sans fil et en nombre insuffisant pour couvrir la totalité de l'environnement à surveiller.Parler de surveillance par un nombre faible d'entités mobiles nécessite de parcourir régulièrement certaines zones critiques de l'environnement, ce qui peut s'apparenter à une tâche de patrouille.Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur la détermination de stratégies de patrouille multi-capteurs appliquée à la détection d'évènements.Un problème similaire au nôtre est celui de la patrouille multi-agents dans un environnement connu.Ce problème consiste à faire visiter régulièrement les noeuds d'un graphe (représentant l'environnement) par des agents.Les capteurs peuvent être considérés comme des agents ayant des ressources limitées, en terme d'énergie en particulier.Le cadre de la patrouille multi-agents et les techniques proposées pour le résoudre ne peuvent pas être utilisés ici.Après avoir formulé mathématiquement le problème de la patrouille multi-capteurs appliquée à la détection d'évènements, nous proposons une technique de résolution approchée basée sur des colonies de fourmis.Des simulations ont été réalisées en considérant différents scenarii (topologies d'environnement, populations de capteurs, apparitions des événements) afin d'évaluer la pertinence de notre approche.Les résultats expérimentaux montrent que notre approche permet de déterminer des stratégies de patrouille satisfaisantes dans la majorité des scenarii.

Les changements climatiques affectent grandement le climat partout sur la planète, mais plus particulièrement dans les zones nordiques, là où le pergélisol dégèle tranquillement. Les chercheurs tentent donc de suivre ces changements dans les zones à l'aide de collecteurs échantillonnant et sauvegardant les données. Cependant, la récupération de ces données est très coûteuse en déplacement et en temps étant donné l'isolement des villages où ces collecteurs se situent. Les réseaux sans fil de nœuds de capteurs sont une solution à ce problème. L'idée est donc de faire parvenir ces données automatiquement aux chercheurs en utilisant des moyens de communication. En 2017, un premier réseau sans fil de nœuds de capteurs a été installé dans le village de Salluit, au nord du Québec en utilisant des stations de collecte déjà existantes. Celui-ci a connu plusieurs problèmes de transfert des données et de collecte depuis son déploiement. Dans ce mémoire, nous examinons ces problèmes. Leurs causes ont été difficiles à déterminer puisque la conception des nœuds de collectes ne permet pas un bon suivi de l'état des nœuds. Les causes des problèmes ont tout de même été déterminées, mais sans certitude, ce qui est en soi un problème. C'est donc ce dernier problème qui nous a menés à proposer une architecture différente permettant de mieux diagnostiquer les problèmes des nœuds de collecte. Cette architecture déplace différentes fonctions effectuées par le collecteur dans le réseau de Salluit vers l'interface sans fil pour permettre un diagnostic plus individualisé de l'interface sans fil et du collecteur. Ce mémoire commence donc par détailler le fonctionnement des réseaux de collecte de données. Par la suite, il présente les installations de Salluit et procède à une analyse des capacités énergétiques des nœuds de collecte du réseau. Ensuite, il propose une architecture permettant de répondre aux lacunes du réseau de Salluit. Puis, le mémoire détaille une implémentation du nœud de collecte de cette architecture proposée. / Climate change greatly affects the climate all over the planet, but especially in northern areas, where permafrost is slowly thawing. Researchers are therefore trying to track changes in these areas using sampling sensors and saving the data locally. However, retrieving this data is very costly in travel and time given the isolation of the villages where these sensors are located. Wireless networks of sensor nodes are a possible solution to this problem. The idea is therefore to send this data automatically to researchers at Université Laval. In 2017, a first wireless network of sensor nodes was installed in the village of Salluit, in Northern Quebec, using already existing collection stations. The installation experienced several data transfer and collection issues since its deployment. In this thesis, we examine these failures in connectivity. Their origins have been difficult to determine since the nodes does not allow good monitoring of their state. This led to some uncertainty in our determination of all causes of failure. For this reason, we also propose a new architecture to better diagnose any future problems of the sensor nodes. This architecture shifts various functions currently performed by the sensor in Salluit's network to the wireless interface to allow more individualized diagnosis of the wireless interface and the sensor. This thesis therefore begins by detailing the operation of data collection networks. It then presents the Salluit facilities and analyze the energy capacities of the network's collection nodes. Thereafter, it proposes an architecture able to respond to the shortcomings of the Salluit network. Then, the thesis details an implementation of the collection node of this proposed architecture.