This thesis describes the development of a series of codes for trim and longitudinal stability analysis of a helicopter in forward flight. In general, particular use of these codes can be made for parametric investigation of the effects of the external and internal systems integrated to UH-60 helicopters. However, in this thesis the trim analysis results are obtained for a clean UH-60 configuration and the results are compared with the flight test data that were acquired by ASELSAN, Inc. The first of the developed trim codes, called TRIM-CF, is based on closedform equations which give the opportunity of having quick results. The second code stems from the trim code of Prouty. That code is modified and improved during the course of this study based on the theories outlined in [3], and the resultant code is named TRIM-BE. These two trim codes are verified by solving the trim conditions of the example helicopter of [3]. Since it is simpler and requires fewer input parameters, it is more often more convenient to use the TRIM-CF code. This code is also verified by analyzing the Bo105 helicopter with the specifications given in [2]. The results are compared with the Helisim results and flight test data given in this reference. The trim analysis results of UH-60 helicopter are obtained by the TRIM-CF code and compared with flight test data. A forward flight longitudinal dynamic stability code, called DYNA-STAB, is also developed in the thesis. This code also uses the methods presented in [3]. It solves the longitudinal part of the whole coupled matrix of equations of motion of a helicopter in forward flight. The coupling is eliminated by linearization. The trim analysis results are used as inputs to the dynamic stability code and the dynamic stability characteristics of a forward flight trim case of the example helicopter [3] are analyzed. The forward flight stability code is applied to UH-60 helicopter. The codes are easily applicable to a helicopter equipped with external stores. The application procedures are also explained in this thesis.

Dans un contexte de développement des énergies renouvelables et des liaisons HVDC dans les systèmes électriques, les travaux présentés s’attachent au fonctionnement technique de tels systèmes. La génération éolienne, photovoltaïque et les liaisons HVDC sont interfacées par dispositifs d’électronique de puissance au réseau de transport électrique. Dès lors, serait-il envisageable d’alimenter la demande électrique uniquement via des sources électriques interfacées par des convertisseurs statiques ?Le pilotage du système électrique par électronique de puissance constitue un changement radical du fonctionnement dynamique des réseaux. La traditionnelle stratégie de commande « grid-following » des onduleurs a montré ses limites lorsque la pénétration de ces dispositifs devient importante. Elle doit être révisée au profit de stratégies dîtes « parallel grid-forming ».Dans cette thèse, les besoins fondamentaux du système électrique sont d’abord analysés pour définir les exigences de la stratégie « parallel grid-forming », ainsi que les défis associés. Selon ces spécifications, une méthode de synchronisation de sources « grid-forming » est ensuite proposée ainsi qu’un contrôle de tension, adapté aux limitations physiques des convertisseurs de tension PWM. La stabilité de la solution est discutée pour différentes configuration de réseau. Enfin, une stratégie de limitation du courant a été spécifiquement développée pour palier la sensibilité des VSC aux sur courants, lors d’évènements réseaux éprouvant. Les idées développées sur un convertisseur unique sont appliquées à petits réseaux afin d’extraire des interprétations physiques depuis des simulations temporelles / In the context of renewable energy and HVDC links development in power systems, the present work concerns the technical operations of such systems. As wind power, solar photovoltaics and HVDC links are interfaced to the transmission grid with power-electronics, can the system be operated in the extreme case where the load is fed only through static converters?Driving a power system only based on power electronic interfaced generation is a tremendous change of the power system paradigm that must be clearly understood by transmission grid operators. The traditional “grid-feeding” control strategy of inverters exhibits a stability limit when their proportion becomes too important. The inverter control strategy must be turned into a “parallel grid-forming” strategy.This thesis first analyses the power system needs, proposes the requirements for “parallel grid-forming” converters and describes the associated challenges. Accordingly, the thesis gives a method for designing a stable autonomous synchronization controls so that grid-forming sources can operate in parallel with a good level of reliability. Then, a method is proposed to design a voltage control for a grid-forming PWM source taking into account the limited dynamic of large converters. The robustness of the solution is discussed for different configuration of the grid topology. A current limiting strategy is presented to solve the current sensitivity issue of grid-forming converters, subject to different stressing events of the transmission grid. The ideas developed on a single converter are then applied on small grids with a limited number of converters to allow a physical interpretation on the simulation results.

Abstract : Recently, there is a great interest to study the flow characteristics of suspensions in different environmental and industrial applications, such as snow avalanches, debris flows, hydrotransport systems, and material casting processes. Regarding rheological aspects, the majority of these suspensions, such as fresh concrete, behave mostly as non-Newtonian fluids. Concrete is the most widely used construction material in the world. Due to the limitations that exist in terms of workability and formwork filling abilities of normal concrete, a new class of concrete that is able to flow under its own weight, especially through narrow gaps in the congested areas of the formwork was developed. Accordingly, self-consolidating concrete (SCC) is a novel construction material that is gaining market acceptance in various applications. Higher fluidity characteristics of SCC enable it to be used in a number of special applications, such as densely reinforced sections. However, higher flowability of SCC makes it more sensitive to segregation of coarse particles during flow (i.e., dynamic segregation) and thereafter at rest (i.e., static segregation). Dynamic segregation can increase when SCC flows over a long distance or in the presence of obstacles. Therefore, there is always a need to establish a trade-off between the flowability, passing ability, and stability properties of SCC suspensions. This should be taken into consideration to design the casting process and the mixture proportioning of SCC. This is called “workability design” of SCC. An efficient and non-expensive workability design approach consists of the prediction and optimization of the workability of the concrete mixtures for the selected construction processes, such as transportation, pumping, casting, compaction, and finishing. Indeed, the mixture proportioning of SCC should ensure the construction quality demands, such as demanded levels of flowability, passing ability, filling ability, and stability (dynamic and static). This is necessary to develop some theoretical tools to assess under what conditions the construction quality demands are satisfied. Accordingly, this thesis is dedicated to carry out analytical and numerical simulations to predict flow performance of SCC under different casting processes, such as pumping and tremie applications, or casting using buckets. The L-Box and T-Box set-ups can evaluate flow performance properties of SCC (e.g., flowability, passing ability, filling ability, shear-induced and gravitational dynamic segregation) in casting process of wall and beam elements. The specific objective of the study consists of relating numerical results of flow simulation of SCC in L-Box and T-Box test set-ups, reported in this thesis, to the flow performance properties of SCC during casting. Accordingly, the SCC is modeled as a heterogeneous material. Furthermore, an analytical model is proposed to predict flow performance of SCC in L-Box set-up using the Dam Break Theory. On the other hand, results of the numerical simulation of SCC casting in a reinforced beam are verified by experimental free surface profiles. The results of numerical simulations of SCC casting (modeled as a single homogeneous fluid), are used to determine the critical zones corresponding to the higher risks of segregation and blocking. The effects of rheological parameters, density, particle contents, distribution of reinforcing bars, and particle-bar interactions on flow performance of SCC are evaluated using CFD simulations of SCC flow in L-Box and T-box test set-ups (modeled as a heterogeneous material). Two new approaches are proposed to classify the SCC mixtures based on filling ability and performability properties, as a contribution of flowability, passing ability, and dynamic stability of SCC. / Résumé : Récemment, il y a un grand intérêt à étudier les caractéristiques d'écoulement des suspensions dans différentes applications environnementales et industrielles, telles que les avalanches des neiges, les coulées de débris, les systèmes de transport et les processus d’écoulement des matériaux. En ce qui concerne les aspects rhéologiques, la plupart des suspensions, comme le béton frais, se comportent comme un fluide non-Newtonien. Le béton est le matériau de construction le plus largement utilisé dans le monde. En raison de limites qui caractérisent le béton normal en termes de maniabilité et de capacité de remplissage de coffrage, il était nécessaire de développer une nouvelle classe de béton qui peut couler sous son propre poids, en particulier à travers les zones congestionnées du coffrage. Par conséquent, le béton autoplaçant (BAP) est un nouveau matériau de construction qui est de plus en plus utilisé dans les différentes applications. Étant donné sa fluidité élevée de BAP peut être utilisé dans certaines applications particulières, notamment dans la section densément renforcée. Cependant, la fluidité élevée rend le béton plus sensible à la ségrégation des gros granulats pendant l'écoulement (la ségrégation dynamique) et ensuite au repos (ségrégation statique). La ségrégation dynamique peut augmenter lorsque le BAP est coulé sur une longue distance ou en présence d'obstacles. Par conséquent, il est toujours nécessaire d'établir un compromis entre la fluidité, la capacité de passage, et la stabilité du BAP. Ceci doit être pris en considération afin de concevoir le processus de coulée et dosage des mélanges du BAP. Ceci est appelé la conception d'ouvrabilité du BAP. Une conception de maniabilité efficace et non coûteuse peut être achevée à travers la e prévision et l'optimisation de l'ouvrabilité des mélanges de béton pour les procédés de construction sélectionnés, notamment le transport, le pompage, la mise en place, le compactage, la finition, etc. En effet, les formulations de mélange doivent se confirmer à la qualité de la construction demandée, par exemple les niveaux exigés de fluidité, la capacité de passage, la capacité de remplissage, et la stabilité (statique et dynamique). Celui est nécessaire pour développer des outils théoriques afin d’évaluer dans quelles conditions les exigences de qualité de la construction sont satisfaites. Cette thèse est consacrée à la réaliser des simulations analytiques et numériques pour prédire la performance d'écoulement du BAP dans différents procédés de la mise en place du béton. L'objectif spécifique de cette étude consiste à simuler l'écoulement du BAP dans essais empiriques, notamment la boite en L et la boite en T pour évaluer la performance du BAP pendent la mise en place (la fluidité, la capacité de passage, la capacité de remplissage, et la ségrégation dynamique induite par cisaillement ou par gravité). Par conséquent, le BAP est modélisé comme matériau hétérogène. En outre, un modèle analytique est proposé pour prédire la performance à l'écoulement du BAP dans la boite en L en utilisant la théorie de Dam Break. D'autre part, les résultats des simulations numériques de l’écoulement du BAP dans une poutre renforcée sont comparés aux résultats expérimentaux par des profils de surface libres. Les résultats des simulations numériques de BAP coulée (modélisée comme un fluide homogène unique), sont utilisés pour déterminer les zones critiques correspondant à des risques plus élevés de ségrégation et de blocage. Les effets des paramètres rhéologiques, la masse volumique, le contenu des particules, la distribution de barres d'armature, et les interactions particule-barres sur les performances d'écoulement du BAP sont évaluées à l'aide de simulations MFN d’écoulement du BAP par les essais des L-Box et T-box (modélisée comme une matériau hétérogène). Deux nouvelles approches sont proposées pour classifier les mélanges du BAP sur la base de la capacité de remplissage, et les propriétés de performabilité, en fonction de la fluidité, la capacité de passage et de la stabilité dynamique du BAP.

This diploma thesis deals with the design of a two-axis multi-spindle lathe carriage. In the first part, there is made a research, and its aim is to find possible variants of design solutions. After the best rated variant was selected, the thesis further continues with the necessary technical calculations of the main design nodes such as a synchronous servomotor, ball screw, linear guide and bearing. The design itself was carried out with regard to calculations and the resulting model was examined in terms of dynamic stability. The subject of examination was to find the natural frequencies of the assembly and to determine the amplitudes of the oscillations which arise from the harmonic excitation force. Finally, Lobe diagrams for grooving and longitudinal turning operations were drawn.

General aircraft dynamic stability theory was used to predict the natural frequencies, damping ratios and time constants of the dynamic modes for three specific small UAVs with wingspans on the scale from 0.6 meters to 1.2 meters. Using USAF DatCom methods, a spreadsheet program for predicting the dynamic stability and handling qualities of small UAVs was created for use in the design stage of new small UAV concept development. This program was verified by inputting data for a Cessna-182, and by then comparing the program output with that of a similar program developed by DAR Corporation. Predictions with acceptable errors were made for all of the dynamic modes except for the spiral mode. The design tool was also used to verify and develop dynamic stability and handling qualities design guidelines for small UAV designers. Using this design tool, it was observed that small UAVs tend to exhibit higher natural frequencies of oscillation for all of the dynamic modes. Comparing the program outputs with military handling qualities specifications, the small UAVs at standard configurations fell outside the range of acceptable handling qualities for short-period mode natural frequency, even though multiple test pilots rated the flying qualities as acceptable. Using dynamic scaling methods to adjust the current military standards for the short period mode, a new scale was proposed specifically for small UAVs. This scale was verified by conducting flight tests of three small UAVs at various configurations until poor handling qualities were observed. These transitions were observed to occur at approximately the boundary predicted by the new, adjusted scale.

Die Bewegungs-kontrollstrategien kontextabhängig und abhängig von unterschiedlichen Kriterien ausgewählt werden. Einerseits ist die Stabilität in den Bewegungszuständen wie der Fortbewegung ausschlaggebend für die ungestörte Ausführung bestimmter Handlungen und erfordert eine effektive Steuerung durch das zentrale Nervensystem. Andererseits wird die Bewegungsstrategieauswahl durch das zentrale Nervensystem dadurch bestimmt, dass die Energiekosten minimiert werden soll. Beide Konzepte (d.h. die Aufrechterhaltung der Stabilität und die Energiekostenminimierung) spielen eine fundamentale Rolle bei der Frage, warum sich Menschen so bewegen, wie sie es tun. Unklar ist dabei allerdings, auf welche Weise das zentrale Nervensystem beide Prinzipien gegeneinander gewichtet. In den letzten 20 Jahren haben uns wissenschaftliche Konzepte wie die Chaostheorie oder die Theorie komplexer Systeme eine neue Herangehensweise an diese Fragen ermöglicht. Diese Arbeit untersucht die dynamische Stabilität menschlicher Fortbewegung mit Hilfe des Konzepts der Ljapunowanalyse. Als erstes wird eine methodologische Untersuchung der Verlässlichkeit des maximalen Ljapunowexponenten beim Gehen und Laufen durchgeführt (Kapitel 2). Danach wird verglichen zwischen dem Laufen unter normalen Umständen und dem darauffolgenden Laufen ohne Schuhe, wobei letzteres eine Abnahme der Stabilität nach dem Übergang zu den neuen Umständen zur Folge hat (Kapitel 3). In der letzten Untersuchung wurde ein unterschiedlich langes Training zur Verbesserung der Laufenergetik durchgeführt, in einer Gruppe nur über einen kurzen und in einer anderen Gruppe über einen etwas längeren Zeitraum (Kapitel 4). Die Ergebnisse zeigen, dass Bewegungskontrollfehler für die Energiekosten beim Laufen eine Rolle spielen können, und legen somit eine flexible Priorisierung der Bewegungskontrolle nahe. / Motor control strategies are chosen in a context dependent manner, based on different criteria. On the one hand stability in dynamic conditions such as locomotion, is crucial to uninterrupted task execution and requires effective regulation by the central nervous system. On the other, minimization of the energetic cost of transport is instrumental in choosing the locomotion strategy by the central nervous system. Both these concepts, (i.e. maintaining stability and optimization of energetic cost of locomotion) have a fundamental role on how and why humans move in the way they do. However, how the human central nervous system prioritizes between the different goals is unknown. In the last 20 years, ideas from scientific paradigms such as chaos theory and complex systems have given us novel tools to approach these questions. The current thesis examines the dynamic stability during human locomotion under such an approach using the concept of Lyapunov analysis. At first a methodological examination of the reliability of the maximum Lyapunov exponent in walking and running has been conducted (chapter 2). Afterwards, an examination between the habitual running condition and after removal of footwear was conducted, exhibiting a decrease in stability following the acute transition to the new condition (chapter 3). In the last study, a training intervention aiming at improvements in running energetics was performed using a short-term and a long-term intervention group (chapter 4). The results evidence that motor control errors can have a role in the energy cost of running and thus, a flexible prioritization of the motor control output.

Gleichgewichtsstörungen und Stürze gehören zu den wichtigsten Symptomen der Parkinson Krankheit (PD). Bei jungen PD-Patienten werden diese Probleme durch Nebenwirkungen der Medikation zusätzlich verstärkt. Aufgrund des noch sehr limitierten Verständnisses der zugrunde liegenden Mechanismen, die zum erhöhten Sturzrisiko bei jungen PD-Patienten beitragen, mangelt es derzeit an alternativen und effektiven bewegungsbasierten Therapien, um diese Sturzgefahr zu verringern. Diese Arbeit zielt darauf ab, solche Mechanismen zu identifizieren und eine effektive Methode zur Früherkennung des Sturzrisikos bei jungen PD-Patienten zu entwickeln. Es wurde der Beitrag der zentralen und peripheren neuromuskulären sowie sensomotorischen Fähigkeiten, dynamischen Stabilitätskontrolle und Anpassungsfähigkeit der Fortbewegung auf die Sturzrate junger PD-Patienten mittels eines Vergleichs zwischen gesunden Probanden und jungen PD-Patienten mit und ohne Sturzerfahrung (Fallers vs. Non-Fallers) untersucht. Der Vergleich zeigte, dass die PD-Fallers zentral begründete Defizite in der Muskelkraft ihrer Beinstrecker aufwiesen sowie eine verringerte Abfangleistung nach simulierten Vorwärtsstürzen. Die Parameter „Muskelkraft“ und „Annäherung an die vordere Stabilitätsgrenze“ identifizieren gemeinsam 90% der Fälle junger PD-Faller. PD-Patienten zeigten auch eine uneingeschränkte prädiktive Anpassungsfähigkeit auf Gangstörungen, aber ein weniger stabiles Gangmuster und weniger effektive reaktive Antworten auf wiederholte Gangstörungen im Vergleich zu Kontrollpersonen. Diese Arbeit stellt relevante Informationen dar, die für die Entwicklung von alternativen nicht-medikamentösen Therapien zur Reduzierung des Sturzrisikos bei jungen PD-Patienten nützlich sind. Darüber hinaus wurde eine akkurate Methode zur Früherkennung von jungen PD-Patienten mit einem erhöhen Sturzrisiko erarbeitet. Diese Patienten könnten von Training der Beinstrecker und der dynamischen Stabilität profitieren. / Postural instability and falls are some of the main symptoms associated with the Parkinson`s disease (PD). In early-onset patients (diagnosed before the age of 51) these problems are worsened by medication-related side-effects. There is a lack of effective exercise-based training interventions to reduce the risk of falling due to our limited understanding of the underlying mechanisms contributing to falls in early-onset PD. The present thesis aims to identify those mechanisms responsible for falls and to develop a sensitive method of assessment for the early discrimination of patients at risk of falling in early-onset PD. We investigated the contribution of central and peripheral neuromuscular and sensory-motor capacities, dynamic stability control and locomotor adaptability to the increased risk of falling in young PD patients by means of comparing healthy controls and early-onset PD fallers and non-fallers. The comparison revealed that PD fallers have central originated deficits in leg extensors` muscle strength - evidenced by increased antagonistic moments and activation deficit of the agonists - and a reduced increase of the base of support in response to simulated forward falls, both resulting in decreased recovery performance. The factors “muscle strength” and “approach to the anterior limit of stability” together could correctly classify 90% of the PD fallers. In addition, while young PD patients showed unaltered predictive adaptability to gait perturbations, they exhibited less stable gait patterns and less effective reactive responses to repeated gait perturbations compared to controls. This thesis provides relevant information for the development of alternative non-medication based therapies aiming to reduce falls in early-onset PD and an accurate assessment tool for the early identification of young patients at a high risk of falling. These patients may benefit from leg-extensors'' strengthening and dynamic stability training.

La thématique étudiée dans ce mémoire est axée sur la préservation de la stabilité dynamique de véhicules évoluant en environnement naturel. En effet, la mobilité en milieu tout-terrain est une activité particulièrement pénible et dangereuse en raison de la nature difficile de l'environnement de conduite et de la reconfigurabilité des machines. Le caractère changeant et incertain des interactions rencontrées entre des véhicules à dynamique complexe et variable et leur environnement entraîne régulièrement des risques accrus de renversement et/ou de perte de contrôle (dévalement, dérapage déclenché par une perte soudaine d'adhérence) pour le conducteur. Une forte accidentalité mortelle est, en effet, recensée dans ce secteur, en particulier, dans le milieu agricole ou le renversement de véhicule est classé comme étant la première cause de mortalité au travail. A l'heure actuelle, les approches existantes sur la stabilité d'engins agricoles sont qualifiées à juste titre de passives car elles ne permettent pas d'éviter que les accidents ne se produisent. Par ailleurs, la transposition directe des solutions de sécurité active du secteur de l'automobile (ABS, ESP) s'est révélée inadaptée aux véhicules tout-terrain a cause des hypothèses simplificatrices (routes plates et homogènes, conditions d'adhérence constantes, etc.) dont souffre la conception de ces dispositifs. Ainsi, le développement de systèmes actifs de sécurité prenant en compte les spécificités de la conduite en milieu tout-terrain se révèle être la meilleure voie d'amélioration à suivre. Eu égard à ces circonstances, ce projet se propose d'adresser cette problématique en étudiant des métriques de stabilité pertinentes permettant d'estimer et d'anticiper en temps réel les risques afin de permettre des actions correctives pour la préservation de l'intégrité des machines tout-terrain. Afin de faciliter l'industrialisation du dispositif actif de sécurité conçu, l'une des contraintes sociétales et commerciales de ce projet a été l'utilisation de capteurs compatibles avec le coût des machines visées. L'objectif ambitieux de cette étude a été atteint par différentes voies. En premier lieu, une approche de modélisation multi-échelle a permis de caractériser l'évolution dynamique de véhicules en milieu tout-terrain. Cette approche à dynamique partielle a offert l'avantage de développer des modèles suffisamment précis pour être représentatifs du comportement réel de l'engin mais tout en présentant une structure relativement simple permettant la synthèse d'asservissements performants. Puis, une étude comparative des avantages et des inconvénients des trois grandes familles de métriques répertoriées dans la littérature a permis de mettre en exergue l'intérêt des métriques analytiques à modèle dynamique par rapport aux catégories de critères de stabilité dits statiques et empiriques. Enfin, l'analyse approfondie des métriques dynamiques a facilité le choix de trois indicateurs (Lateral and Longitudinal Load Transfer (LLT), Force Angle Stability Measurement (FASM) et Dynamic Energy Stability Measurement (DESM)) qui sont représentatifs d'un risque imminent de renversement du véhicule. La suite du mémoire s'appuie sur la théorie d'observation pour l'estimation en ligne des variables non directement mesurables en milieu tout-terrain telles que les rigidités de glissement et dérive du pneumatique. Jumelée aux différents modèles dynamiques du véhicule, la synthèse d'observateurs a permis donc d'estimer en temps réel les efforts d'interaction pneumatiques-sol nécessaires à l'évaluation des indicateurs d'instabilité. Le couplage de ces modèles multi-échelles à la théorie d'observation a ainsi constitué un positionnement original à même de briser la complexité de la caractérisation de la stabilité de véhicules à dynamiques complexes et incertaines. (...) / This work is focused on the thematic of the maintenance of the dynamic stability of off-road vehicles. Indeed, driving vehicles in off-road environment remains a dangerous and harsh activity because of the variable and bad grip conditions associated to a large diversity of terrains. Driving difficulties may be also encountered when considering huge machines with possible reconfiguration of their mechanical properties (changes in mass and centre of gravity height for instance). As a consequence, for the sole agriculture sector, several fatal injuries are reported per year in particular due to rollover situations. Passive protections (ROllover Protective Structure - ROPS) are installed on tractors to reduce accident consequences. However, protection capabilities of these structures are very limited and the latter cannot be embedded on bigger machines due to mechanical design limitations. Furthermore, driving assistance systems (such as ESP or ABS) have been deeply studied for on-road vehicles and successfully improve safety. These systems usually assume that the vehicle Center of Gravity (CG) height is low and that the vehicles are operating on smooth and level terrain. Since these assumptions are not satisfied when considering off-road vehicles with a high CG, such devices cannot be applied directly. Consequently, this work proposes to address this research problem by studying relevant stability metrics able to evaluate in real time the rollover risk in order to develop active safety devices dedicated to off-road vehicles. In order to keep a feasible industrialization of the conceived active safety device, the use of compatible sensors with the cost of the machines was one of the major commercial and societal requirements of the project. The ambitious goal of this study was achieved by different routes. First, a multi-scale modeling approach allowed to characterize the dynamic evolution of off-road vehicles. This partial dynamic approach has offered the advantage of developing sufficiently accurate models to be representative of the actual behavior of the machine but having a relatively simple structure for high-performance control systems. Then, a comparative study of the advantages and drawbacks of the three main families of metrics found in the literature has helped to highlight the interest of dynamic stability metrics at the expense to categories of so-called static and empirical stability criteria. Finally, a thorough analysis of dynamic metrics has facilitated the choice of three indicators (Longitudinal and Lateral Load Transfer (LLT), Force Angle Stability Measurement (FASM) and Dynamic Energy Stability Measurement (DESM)) that are representative of an imminent rollover risk. The following of the document is based on the observation theory for estimating online of variables which are not directly measurable in off-road environment such as slip and cornering stiffnesses. Coupled to the dynamic models of the vehicle, the theory of observers has helped therefore to estimate in real time the tire-soil interaction forces which are necessaries for evaluating indicators of instability. The coupling of these multiscale models to the observation theory has formed an original positioning capable to break the complexity of the characterization of the stability of vehicles having complex and uncertain dynamics. (...)

La problématique de cette thèse réside dans la caractérisation et le maintien de la stabilité des Véhicules Légers Tout Terrain (VLTT). Elle se concentre plus particulièrement sur le développement de systèmes de sécurité actifs capables à la fois de prévenir le conducteur des risques encourus mais aussi de les limiter afin d'assurer l'évolution du véhicule dans une zone de stabilité prédéfinie. Comme le cadre expérimental privilégié est l'application à la stabilité des quadricycles légers à moteurs, plus connus sous le terme anglophone "quad", une des contraintes du projet a été de se limiter à un système sensoriel bas-coût afin d'être en mesure d'industrialiser un tel système. En premier lieu, les métriques de stabilité (Transfert de Charge Latéral et Longitudinal : TCLa et TCLo) ont été choisies grâce à une étude préliminaire sur la stabilité des VLTT. Par la suite, une modélisation 2D en roulis et en tangage avec la prise en compte des déplacements du pilote sur le véhicule sont présentées, ce qui permet d'estimer respectivement le TCLa et le TCLo uniquement à partir de la mesure de l'accélération latérale et longitudinale. Étant donné que pour la suite des travaux, l'anticipation du risque de renversement latéral est nécessaire, un modèle 2D en lacet du véhicule est proposé afin d'obtenir un modèle analytique décrivant la dynamique latérale du véhicule. La suite du mémoire présente les différentes techniques d'observation proposées pour l'estimation des variables et paramètres non-directement mesurables du modèle en lacet du véhicule et qui influencent sa stabilité latérale : les glissements, les conditions d'adhérence et les inclinaisons du véhicule. Plusieurs observateurs ont été proposés, dont le dernier permet de considérer des conditions d'adhérence différentes entre les essieux avant et arrière en utilisant plus largement les accélérations mesurées. Cela permet d'intégrer les passages de sous- à sur-vireur qu'il est essentiel de considérer quand on étudie la stabilité de ce type de véhicule. Ainsi, l'estimation des glissements est toujours pertinente, ce qui permet d'obtenir par la suite une meilleure prédiction de la métrique de stabilité latérale (TCLa) quel que soit le comportement du véhicule. Puis en s'appuyant sur les estimations des observateurs couplées aux modèles dynamiques du véhicule et sur l'extrapolation des commandes du conducteur sur un horizon de prédiction, il est possible de prédire les évolutions du TCLa. Cette valeur prédite ainsi que les estimations en ligne des métriques de stabilité constituent alors le point d'entrée pour la synthétisation d'un système de sécurité actif dédié aux VLTT. Celui-ci est basé sur la génération d'un retour d'effort au niveau de la gâchette des gaz permettant soit d'informer le pilote du risque encouru par la création d'une sensation de dureté, soit d'imposer le retour complet de la gâchette des gaz, ce qui implique une diminution de la vitesse et donc la réduction du risque. Finalement, dans le cas où il est possible de maîtriser la vitesse du véhicule par l'installation d'un système de rétroaction sur les freins (Quad haut de gamme ou robot mobile), les derniers travaux présentés s'intéressent aux techniques de commande prédictive à modèle afin de calculer en temps-réel la vitesse maximale admissible, qui assure l'évolution du critère de stabilité choisi dans un domaine de stabilité. Les modèles, les observateurs, la prédiction du TCLa et les 2 systèmes de prévention présentés dans ce mémoire ont été validés et testés au travers de simulations avancées et d'essais expérimentaux réalisés sur un quad agricole et un robot autonome. Il apparaît alors qu'en plus d'être efficace pour la prévention des risques de renversement à hautes dynamiques, le système de sécurité est industriellement viable. Cela a été rendu possible grâce à une conception reposant uniquement sur des actionneurs et un système sensoriel, dont les coûts sont en adéquation avec le prix d'un VLTT. / This dissertation addresses the topic of lateral dynamic stability of light All-Terrain Vehicles (ATV) in a o-road environment. In particular, the developments are focused on the design of active security system allowing both to prevent the driver of the rollover risk and to ensure the vehicle stability within a safety margin. As the experimental framework is focused on light ATV (e.g. quad bikes), the main limitation of the project has been to keep a low cost sensing equipment in order to keep a possible industrialization. First, the stability metrics (Lateral and Longitudinal Load Transfer : LaLT and LoLT) have been chosen thanks to a preliminary study on the ATV stability. Then, two 2D models (roll and pitch) are proposed allowing to estimate the LaLT and the LoLT from the only acceleration measures and within the driver displacements on the vehicle. However, as the anticipation of lateral risk is mandatory for the next stage of the work, a 2D yaw model is also proposed in order to obtain an analytic model of the vehicle lateral dynamic. Then, the different observation techniques are presented to estimate the variables and parameters of the yaw model, who are not directly measurable and who inuence the lateral stability : sliding, grip conditions and vehicle slopes. Several observers are proposed, whose the last one permits to estimate separately the grip conditions between the front and rear axle thanks to a particular use of the acceleration measure. It allows to take into account the switch between the under- and over-steering behaviour influencing largely the vehicle stability. Thus, the sliding estimations are always relevant what permits to obtain a better prediction of the lateral stability metric (LaTT) whatever the vehicle behaviour. Then, thanks to the observer estimations combined with the vehicle dynamic models and an extrapolation of the driver inputs on a prediction horizon, the Lateral Load Transfer can be predicted. This latter value as well as the online estimations of the two stability metrics are the input of the active security system, which is based on the generation of a counter-force on the trigger. Thus, this system allows first to inform continuously the driver of the incurred risk thanks to a trigger feel harder to press. Secondly, if the risk is too important, the system is able to force the full return of the trigger, what reduces the vehicle speed and consequently the risk. Finally, a control law based on the Predictive Functional Control (PFC) theory has been designed to ensure the lateral stability of the vehicle. This control law allows to calculate in real time the maximal speed ensuring the evolution of the stability metric into a safety range. Nevertheless, this solution is only available for vehicles where it is possible to regulate their speed thanks to a control system on the brake. The models, the observers, the prediction of the LaLT and the two prevention systems presented in this dissertation have been validated and tested through several advanced simulations, a actual quad bike and autonomous mobile robot. Moreover, the security system appears to be directly integrated to industry, as its design rests upon low cost actuators and sensors compared to the price of actual quad bikes.

Different methods for the determination of cantilever properties in non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) are under investigation. A key aspect is the determination of the cantilever stiffness being essential for a quantitative NC-AFM data analysis including the extraction of the tip-surface interaction force and potential. Furthermore, a systematic analysis of the displacement noise in the cantilever oscillation detection is performed with a special focus on the thermally excited cantilever oscillation. The propagation from displacement noise to frequency shift noise is studied under consideration of the frequency response of the PLL demodulator. The effective Q-factor of cantilevers depends on the internal damping of the cantilever as well as external influences like the ambient pressure and the quality of the cantilever fixation. While the Q-factor has a strong dependence on the ambient pressure between vacuum and ambient pressure yielding a decrease by several orders of magnitude, the pressure dependence of the resonance frequency is smaller than 1% for the same pressure range. On the other hand, the resonance frequency highly depends on the mass of the tip at the end of the cantilever making its reliable prediction from known cantilever dimensions difficult. The cantilever stiffness is determined with a high-precision static measurement method and compared to dimensional and dynamic methods. Dimensional methods suffer from the uncertainty of the measured cantilever dimensions and require a precise knowledge its material properties. A dynamic method utilising the measurement of the thermally excited cantilever displacement noise to obtain cantilever properties allows to characterise unknown cantilevers but requires an elaborative measurement equipment for spectral displacement noise analysis. Having the noise propagation in the NC-AFM system fully characterised, a proposed method allows for spring constant determination from the frequency shift noise at the output of the PLL demodulator with equipment already being available in most NC-AFM setups.