Aujourd'hui, de plus en plus de systèmes industriels s'appuient sur des applications logicielles temps-réel réparties embarquées (TR2E). La réalisation de ces applications demande de répondre à un ensemble important de contraintes très hétérogènes, voire contradictoires. Pour satisfaire ces contraintes, il est presque toujours nécessaire de fournir à ces systèmes des capacités d'adaptation. Par ailleurs, certaines de ces applications pilotent des systèmes dont la défection peut avoir des conséquences financières - voire humaines - dramatiques. Pour concevoir de telles applications, appelées applications critiques, il faut s'appuyer sur des processus de développpement rigoureux capables de repérer et d'éliminer les erreurs de conception potentielles. Malheureusement, il n'existe pas à notre connaissance de processus de développement capable de traiter ce problème dans le cas où l'adaptation du système à son environnement conduit à modifier sa configuration logicielle. Ce travail de thèse présente une nouvelle méthodologie qui répond à cette problématique en s'appuyant sur la notion de mode de fonctionnement : chacun des comportements possibles du système est représenté par le biais d'un mode de fonctionnement auquel est associé une configuration logicielle. La spécification des règles de transition entre ces modes de fonctionnement permet alors de générer l'implantation des mécanismes de changement de mode, ainsi que des reconfigurations logicielles associées. Le code ainsi produit respecte les contraintes de réalisation des systèmes critiques et implante des mécanismes de reconfiguration sûrs et analysables. Pour ce faire, nous avons défini un nouveau langage de description d'architecture (COAL : Component Oriented Architecture Language) qui permet de bénéficier à la fois des avantages du génie logiciel à base de composants (de type Lightweight CCM), et des techniques d'analyse, de déploiement et de configuration statique, qu'apporte l'utilisation des langages de description d'architecture (et en particulier AADL : Architecture Analysis and Description Language). Nous avons alors réalisé un nouveau framework à composant, MyCCM-HI (Make your Component Container Model - High Integrity), qui exploite les constructions de COAL pour (i) générer le modèle AADL permettant de réaliser le déploiement et la configuration statique de l'application TR2E, (ii) générer le code de déploiement et de configuration des composants logiciels de type Lightweight CCM, (iii) générer le code correspondant aux mécanismes d'adaptation du système, et (iv) analyser formellement le comportement du système, y compris en cours d'adaptation. Ce framework à composant est disponible au téléchargement à l'adresse http ://myccm-hi.sourceforge.net.

Les travaux de recherche présentés pour l'habilitation à diriger des recherches, visent à proposer de nouveaux outils pour simuler des interventions médicales et chirurgicales. Ces outils ont plusieurs applications dont l'amélioration de la formation des praticiens, la planification d'interventions pour la préparation et la validation d'une thérapie ou encore l'assistance au geste médical durant une intervention. Or, pour simuler ces interventions de manière réaliste voire prédictive, il faut tenir compte de la déformation des structures anatomiques et des interactions mécaniques entre les outils et les organes. En même temps, la simulation doit être interactive et calculée en temps-réel pour garder le geste du praticien dans la boucle de la simulation. Le défi majeur de notre travail est donc de garantir un calcul précis au niveau de la simulation tout en gardant un temps de calcul très court, qui soit compatible avec le temps-réel. D'abord, nous proposons une formulation optimisée de la méthode par éléments finis (FEM) et de nouveaux outils numériques (pré-conditionneurs, couplage entre modèles...) dédiés à au calcul FEM temps-réel. Cette approche est utilisée pour calculer la biomécanique des déformations des tissus anatomiques et les instruments flexibles. Nous abordons ensuite un autre point clé de ces simulations que sont les conditions aux limites. Les interactions mécaniques entre organes et/ou entre les outils chirurgicaux et les tissus sont souvent complexes à modéliser. Or, une mauvaise prise en compte de ces interactions peut aboutir à des erreurs importantes. Notre approche suit les bases de la mécanique non-régulière pour gérer, notamment, le contact et le frottement entre solides. Nous étendons l'approche à d'autres modèles d'interaction (comme l'insertion d'aiguille par exemple). Dans ce contexte, nous mettons l'accent sur le calcul de la compliance des structures en temps-réel. Par ailleurs, pour certaines interventions où le retour visuel n'est pas parfait, le praticien se guide aussi avec le sens du toucher. Il est donc important de reproduire au moins partiellement cette sensation - dite haptique - avec des interfaces à retour d'effort, pilotée à partir des données de la simulation. Dans ce domaine, nous proposons une approche centrée sur le rendu haptique des interactions mécaniques entre outil chirurgical et tissus humain. Cette approche se base notamment sur une désynchronisation du calcul de la boucle de simulation et de la boucle de retour d'effort qui demande un rafraichissement à haute fréquence (1kHz). Finalement, nous présentons ces résultats de recherche sur des exemples concrets d'application et nous présentons les défis à venir pour permettre à la simulation de devenir un outil utilisé par les praticiens à l'avenir. Le manuscrit est en anglais.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent le thème des fonctionnalités visuelles qu'il convient d'embarquer sur un robot mobile, afin qu'il puisse se déplacer dans son environnement. Plus précisément, ils ont trait aux méthodes de perception par vision stéréoscopique dense, de modélisation de l'environnement par grille d'occupation, et de suivi visuel d'objets, pour la navigation autonome d'un robot mobile dans un environnement d'intérieur. Il nous semble important que les méthodes de perception visuelle soient à la fois robustes et rapide. Alors que dans les travaux réalisés, on trouve les méthodes globales de mise en correspondance qui sont connues pour leur robustesse mais moins pour être employées dans les applications temps réel et les méthodes locales qui sont les plus adaptées au temps réel tout en manquant de précision. Pour cela, ce travail essaye de trouver un compromis entre robustesse et temps réel en présentant une méthode semi-locale, qui repose sur la définition des distributions de possibilités basées sur une formalisation floue des contraintes stéréoscopiques. Il nous semble aussi important qu'un robot puisse modéliser au mieux son environnement. Une modélisation fidèle à la réalité doit prendre en compte l'imprécision et l'incertitude. Ce travail présente une modélisation de l'environnement par grille d'occupation qui repose sur l'imprécision du capteur stéréoscopique. La mise à jour du modèle est basée aussi sur la définition de valeurs de crédibilité pour les mesures prises. Enfin, la perception et la modélisation de l'environnement ne sont pas des buts en soi mais des outils pour le robot pour assurer des tâches de haut niveau. Ce travail traite du suivi visuel d'un objet mobile comme tâche de haut niveau.

Les robots poly-articulés industriels sont un moyen de production moins couteux que les machines outils. De part leur structure, ils sont moins rigides, mais ils disposent d'une agilité et d'une zone de travail plus importante. L'exploitation de ces avantages pour la réalisation de certaines opérations continues, comme l'usinage par exemple, fait l'objet d'une demande croissante de l'industrie manufacturière. Ces nouvelles applications des robots poly-articulés pour l'usinage nécessitent de progresser sur le front de l'amélioration de la précision statique et dynamique de ces structures. Ainsi, afin d'améliorer la précision des robots, nous avons développé dans ce travail de thèse une méthode de planification de trajectoire basée sur l'interpolation paramétrique des courbes géométriques. Cette méthode permet de maîtriser le positionnement et la cinématique de l'outil pour les applications nécessitant un suivi de profil continu et notamment pour l'usinage. Nous proposons ainsi de qualifier les différentes souplesses des robots industriels 6 axes afin de déduire une cartographie de rigidité dans l'espace de travail cartésien. Une méthode exploitant cette cartographie permettant l'optimisation de la configuration géométrique du robot pour l'usinage est présentée. Les souplesses axiales des articulations sont intégrées dans un modèle élasto-statique utilisé pour la commande. Ce modèle permet d'anticiper les déviations statiques induites par ces souplesses articulaires. Enfin, nous mettons en évidence les défauts de transmission associés aux chaînes cinématiques des axes du robot. Nous montrons que ces défauts sont à l'origine d'une erreur de position au niveau de l'organe terminal de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre. Un protocole d'identification de ces défauts est proposé. Ces défauts sont modélisés et intégrés dans une stratégie de correction hors ligne de position.

La progression rapide de la technologie a donné lieu à un panorama riche et varié de dispositifs numériques : caméra, téléphones mobiles, GPS, tablettes tactiles, liseuses numériques, robots, télévisions, éléments de domotique... La majorité de ces appareils sont aujourd'hui connectés à Internet. Et en plus de leurs fonctionnalités principales, ils permettent à leur propriétaire de rester en contact avec " le monde " à l'aide de logiciels de communication, de personnages virtuels ou de robots. Tous ces dispositifs numériques fonctionnent indépendamment les uns des autres. La question qui se pose est de savoir si ces dispositifs numériques doivent être coordonnés afin de partager certaines informations et effectuer certaines actions ensembles. Cette collaboration entre les dispositifs numériques est gérée par le Compagnon Artificiel qui est en contact permanent avec un utilisateur par les biais des divers dispositifs numériques. Une architecture modulaire ArCo permettant de mettre en place un Compagnon Artificiel a été réalisée dans le cadre de ce travail. Les dispositifs numériques sont gérés par des modules spécifiques, créés grâce à un cadriciel MICE (Machines Interaction Control in their Environment). L'utilisateur final du système peut programmer des scenarii d'interaction, qui indiquent les actions que doivent effectuer les dispositifs numériques, grâce à une interface de programmation visuelle AmbiProg. Chaque scénario est interprété par un module AmbiLive. Les conflits d'accès aux dispositifs numériques sont gérés par un module AmbiCop. Un ensemble d'évaluations a permis de valider expérimentalement l'architecture ArCo et de répondre à des problématiques d'interaction homme-machine.

La connaissance de l'attitude, de l'altitude, de la segmentation du sol et du mouvement est essentielle pour la navigation d'un drone, en particulier durant les phases critiques de décollage et d'atterrissage. Dans ce travail de thèse, nous présentons un système stéréoscopique hybride composé d'une caméra fisheye et d'une caméra perspective pour estimer les paramètres de navigation d'un drone. À partir de ce capteur, une approche systémique est proposée. Contrairement aux méthodes classiques de stéréovision basées sur l'appariement de primitives, nous proposons des méthodes qui évitent toute mise en correspondance entre les vues hybrides. Une technique de plane-sweeping est suggérée pour déterminer l'altitude et détecter le plan du sol. La rotation et la translation du mouvement sont ensuite découplés : la vue fisheye contribue à évaluer l'attitude et l'orientation tandis que la vue perspective contribue à apporter l'échelle métrique de la translation. Le mouvement peut ainsi être estimé de façon robuste et à l'échelle métrique grâce à la connaissance de l'altitude. Cette méthode repose sur l'algorithme des 2-points complété par un filtre de Kalman. Nous proposons des approches robustes, temps réel et précises, exclusivement basées sur la vision avec une implémentation C++. Bien que cette approche évite l'utilisation de capteurs autres que les caméras, ce système peut également être appuyé par une centrale inertielle.

Cette thèse porte sur l'étude de la complexité de l'exploration de graphes dynamiques par agent mobile. Une entité mobile (appelée agent) se déplaçant dans un graphe dynamique doit traverser/visiter au moins une fois chacun de ses sommets. (Le temps de traversée d'une arête est unitaire.) Ce problème fondamental en algorithmique par agents mobiles a été très étudié dans les graphes statiques depuis l'article originel de Claude Shannon. Concernant les graphes dynamiques, seul le cas des graphes dynamiques périodiques a été étudié. Nous étudions ce problème dans deux familles de graphes dynamiques, les graphes dynamiques périodiquement variables (PV-graphes) et les graphes dynamiques T-intervalle-connexes. Les résultats obtenus dans cette thèse améliorent des résultats existants et donnent des bornes optimales sur le problème étudié. Un PV-graphe est défini par un ensemble de transporteurs suivant infiniment leur route respective le long des stations du réseau. En 2013, Flocchini, Mans et Santoro ont étudié le problème de l'exploration des PV-graphes en considérant que l'agent doit toujours rester sur les transporteurs. Cette thèse montre l'impact de la capacité d'attendre sur les stations. Nous prouvons que l'attente sur les stations permet à l'agent d'atteindre de meilleures complexités en pire cas : le nombre de mouvements est réduit d'un facteur multiplicatif d'au moins $\Theta(p)$, et la complexité en temps passe de $\Theta(kp^2)$ à $\Theta(np)$, où $n$ est le nombre de stations, $k$ le nombre de transporteurs, et $p$ la période maximale ($n\leq kp$ dans tout PV-graphe connexe). Par ailleurs, l'algorithme que nous proposons pour prouver les bornes supérieures permet de réaliser la cartographie du PV-graphe, en plus de l'explorer. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous considérons le même problème (l'exploration) dans les graphes dynamiques T-intervalle-connexes. Un graphe dynamique est $T$-intervalle-connexe ($T \geq 1$) si pour chaque fenêtre de $T$ unités de temps, il existe un sous-graphe couvrant connexe stable. Nous considérons dans un premier temps les graphes dynamiques T-intervalle-connexes qui ont un anneau de taille $n$ comme graphe sous-jacent et nous montrons que la complexité en temps en pire cas de leurs exploration est de $2n-T-\Theta(1)$ unités de temps si l'agent connaît la dynamique du graphe, et $n+ \frac{n}{\max\{1,T-1\}} (\delta-1) \pm\Theta(\delta)$ unités de temps sinon, où $\delta$ est le temps maximum entre deux apparitions successives d'une arête. Nous généralisons ensuite ces résultats en considérant une autre famille de graphes sous-jacents, les cactus à $n$ sommets. Un cactus est un graphe connexe dans lequel deux cycles ont au plus un sommet en commun. Nous donnons un algorithme qui permet d'explorer ces graphes dynamiques en au plus $2^{O(\sqrt{log n})} n$ unités de temps, et nous montrons que la borne inférieure de notre algorithme est $2^{\Omega(\sqrt{log n})} n$.

Dans le domaine de la robotique, la vision omnidirectionnelle est privilégiée car elle augmente le champ de vision des capteurs ce qui permet une meilleur navigation et localisation des robots. Les capteurs catadioptriques (combinaison de miroir(s) + caméra(s)) représentent une solution simple et rapide pour atteindre une vue large satisfaisante. Cependant, à cause de la géométrie des miroirs de révolution utilisés, ces capteurs fournissent des images possédant une résolution non uniforme et entrainent des distorsions géométriques. Deux approches sont présentées dans la littérature pour remédier à ces désagréments. La première consiste à traiter les images omnidirectionnelles comme étant des images perspectives, tandis que la seconde utilise des méthodes adaptées à la géométrie des capteurs en travaillant sur des espaces équivalents (Sphère, cylindre). Le principal atout de la première approche est le gain en temps de traitement par contre la qualité des résultats est souvent dépassée par celle des méthodes adaptées. Dans le cadre des travaux de cette thèse, nous avons choisi la voie de la première catégorie. L'objectif est de proposer des méthodes (mise en correspondance, détection de contour et détection de coin) permettant d'améliorer les résultats des traitements des images omnidirectionnelles. Les méthodes proposées sont basées sur des mesures statistiques. Elles présentent l'avantage de parcourir les images omnidirectionnelles par des voisinages (fenêtres) de taille fixe, sans passer par leurs adaptations aux caractéristiques intrinsèques du capteur et à la géométrie du miroir utilisé. Elle présente également l'avantage de ne pas faire appel à la dérivation qui accentue l'effet du bruit aux hautes fréquences de l'image. Les méthodes proposées ont été d'abord validées sur des images perspectives avant d'être appliquées sur les images omnidirectionnelles. Les résultats comparatifs obtenus sont satisfaisants.

Cette thèse considère l'apprentissage de motifs récurrents dans la perception multimodale. Elle s'attache à développer des modèles robotiques de ces facultés telles qu'observées chez l'enfant, et elle s'inscrit en cela dans le domaine de la robotique développementale. Elle s'articule plus précisément autour de deux thèmes principaux qui sont d'une part la capacité d'enfants ou de robots à imiter et à comprendre le comportement d'humains, et d'autre part l'acquisition du langage. À leur intersection, nous examinons la question de la découverte par un agent en développement d'un répertoire de motifs primitifs dans son flux perceptuel. Nous spécifions ce problème et établissons son lien avec ceux de l'indétermination de la traduction décrit par Quine et de la séparation aveugle de source tels qu'étudiés en acoustique. Nous en étudions successivement quatre sous-problèmes et formulons une définition expérimentale de chacun. Des modèles d'agents résolvant ces problèmes sont également décrits et testés. Ils s'appuient particulièrement sur des techniques dites de sacs de mots, de factorisation de matrices et d'apprentissage par renforcement inverse. Nous approfondissons séparément les trois problèmes de l'apprentissage de sons élémentaires tels les phonèmes ou les mots, de mouvements basiques de danse et d'objectifs primaires composant des tâches motrices complexes. Pour finir nous étudions le problème de l'apprentissage d'éléments primitifs multimodaux, ce qui revient à résoudre simultanément plusieurs des problèmes précédents. Nous expliquons notamment en quoi cela fournit un modèle de l'ancrage de mots acoustiques.

Ce travail est focalisé sur le problème de la construction autonome du modèle 3D d'un objet inconnu en utilisant un robot humanoïde. Plus particulièrement, nous considérons un HRP-2 guidé par la vision au sein d'un environnement connu qui peut contenir des obstacles. Notre méthode considère les informations visuelles disponibles, les contraintes sur le corps du robot ainsi que le modèle de l'environnement dans le but de générer des postures adéquates et les mouvements nécessaires autour de l'objet. Le problème de sélection de vue ("Next-Best-View") est abordé en se basant sur un générateur de postures qui calcule une configuration par la résolution d'un problème d'optimisation. Une première solution est une approche locale où un algorithme de rendu original à été conçu afin d'être inclut directement dans le générateur de postures. Une deuxième solution augmente la robustesse aux minimums locaux en décomposant le problème en 2 étapes: (i) trouver la pose du capteur tout en satisfaisant un ensemble de contraintes réduit, et (ii) calculer la configuration complète du robot avec le générateur de posture. La première étape repose sur des méthodes d'optimisation globale et locale (BOBYQA) afin de converger vers des points de vue pertinents dans des espaces de configuration admissibles non convexes. Notre approche est testée en conditions réelles par le biais d'une architecture cohérente qui inclus différents composants logiciels spécifique à l'usage d'un humanoïde. Ces expériences intègrent des travaux de recherche en cours en planification de mouvements, contrôle de mouvements et traitement d'image, qui pourront permettre de construire de façon autonome le modèle 3D d'un objet.