Le banc de poisson est un exemple typique d’auto organisation de groupe. Ce système implique des interactions complexes d’individus dans un milieu fluide et fait l’objet de nombreuses recherches multidisciplinaire théoriques, numériques ou expérimentales.Plusieurs hypothèses ont déjà été formulées pour expliquer la formation de ces bancs: la fuite face à des prédateurs, l’optimisation dans la recherche de nutriments ou encore l’économie d’énergie. Dans la plupart des recherches, les travaux se concentrent sur ce que les poissons devraient faire pour optimiser une tâche plutôt que sur des observations directes. Cela conduit à des différences dans les conclusions issus du travail des physiciens théoriciens ou ingénieurs avec ce qui est observé dans la nature par les biologistes. Dans ce travail, nous apportons, basées sur des observations directes tetra Hemigrammus bleheri, de nouveaux éléments sur les interactions des poissons lors de la nage collective comme le phénomène de burst-and-coast ou la synchronisation des cinématiques entre plus proches voisins. Enfin, nous démontrons que les bancs de Hemigrammus bleheri privilégient la configuration en ligne plutôt que celle en diamant souvent mise en avant dans la littérature / Fish school is the classical example of self-emergent system of collective behavior in animal locomotion, which involves complex interactions between individuals and has drawn fascination of numerous multidisciplinary analytical, numerical and experimental researches. Various reasons have been cited for the formation of fish school such as evading predators, enhancing foraging success or advantage in terms of energy consumption. However, most of the works primary focus on what fish should do in a school instead of what fish really do, leading to discrepancies between the works of theoretical physicists and engineers and what is observed in the nature by biologists. This thesis is an attempt to bridge this gap. In this work, we investigate the swimming dynamics of the red nose tetra fish Hemigrammus bleheri in a controlled experiment. The tetra fish are observed to swim using a burst-and-coast strategy, which could be for the purpose of active flow sensing. We also address the case of red nose tetra fish Hemigrammus bleheri swimming in groups in a uniform flow, giving special attention to the basic interactions and cooperative swimming of a single pair of fish. We first bring evidence of synchronization of the two fish, where the swimming modes are dominated by "out of phase" and "in phase" configurations. At last, we challenge the question of energy benefit by discussing the channeling effect versus the vortex interaction hypothesis (Weihs, Nature 241:290-291, 1973) about diamond shape. We provide the experimental observation that fish prefer inline formation or phalanx formation over the diamond shape while swimming in a school

Ce travail met la lumière sur les performances d'une technique d'isolation de l'enveloppe du bâtiment par produits minces réfléchissants (PMR). Cette technique regroupe la performance isolante d'un matériau ainsi que celle d'une lame d'air fermée à la réduction des transferts radiatifs en utilisant une barrière à faible émissivité thermique. Le marché de ces produits s'est développé rapidement alors qu'ils ne sont pas certifiés et qu'il existe une controverse sur les performances effectives qu'ils peuvent atteindre une fois intégrés dans le bâtiment. L'objectif principal a donc été de réaliser une caractérisation complète de ces produits intégrés dans les parois verticales du bâtiment et les combles, par modélisation et par étude expérimentale, pour obtenir une meilleure connaissance des phénomènes physiques induits par ce type de produits d'isolation. Un modèle thermique de paroi complexe intégrant un PMR a été réalisé. Une étude numérique préliminaire a permis de caractériser l'échange convectif à l'intérieur des lames d'air non ventilées. Les résultats de performances thermiques ont été validés par une étude expérimentale basée sur le principe de la boîte chaude. Un modèle de rampant de toiture intégrant un PMR a été également réalisé. Pour la période estivale, la lame d'air ventilée conçue entre les tuiles et le produit réfléchissant a été étudiée par une modélisation numérique et des mesures par PIV. Le facteur de transmission solaire du complexe de rampant a été déterminé en variant plusieurs paramètres. Pour la période hivernale, les performances thermiques ont été calculées en prenant en compte l'effet du vent et la perméabilité des tuiles sur la lame d'air ventilée. Les résultats ont montré que ces produits, utilisés comme isolation unique, ne répondent pas aux exigences règlementaires. Installés en complément, ils ont l'avantage d'augmenter le confort d'été au niveau des combles aménagés en période ensoleillée.

Un réseau ad hoc sans fil est composé d'un ensemble décentralisé d'objets mobiles et auto-organisés. Un tel réseau ne repose sur aucune infrastructure, et est donc complètement autonome et dynamique. Selon ces hypothèses, tout ensemble d'objets équipés d'interfaces de communication adéquates peut spontanément former un tel réseau. Puisque des communications sans fil sont utilisées, seuls les objets suffisamment proches les uns des autres peuvent communiquer ensemble. Les communications de longue portée doivent donc être effectuées via un mécanisme multi-sauts : cela veut simplement dire que les objets intermédiaires doivent faire suivre les messages jusqu'au destinataire.<br /><br />Les réseaux de capteurs sont similaires aux réseaux ad hoc, car ils sont également décentralisés et autonomes. Un capteur est un petit appareil capable de surveiller son environnement. Des cas typiques d'utilisation peuvent être la surveillance de zones militaires (détection de mouvements) ou de forêts (détection d'incendie).<br /><br />Parmi les problèmes communs à ces deux types de réseaux se trouve la diffusion. Dans une telle communication, un message est envoyé depuis un objet donné vers tous les autres du réseau. Les applications de ce processus sont nombreuses : découverte de routes, synchronisation... Comme les objets mobiles utilisent une batterie, il est nécessaire que la diffusion soit la plus économe possible d'un point de vue énergétique. Cela est généralement obtenu en réduisant la quantité de relais nécessaires, ou en limitant la puissance d'émission à chaque relais.<br /><br />Le but de mon travail était d'étudier la diffusion dans les réseaux ad hoc et de capteurs, afin de mettre en lumière les caractéristiques et les défauts des mécanismes existants, puis d'en proposer de nouveaux, plus efficaces. Dans tous ces travaux, nous avons toujours voulu rester dans le domaine des solutions 'réalistes' : beaucoup des précédentes études utilisaient en effet des mécanismes centralisés, où une connaissance globale du réseau est nécessaire pour effectuer la diffusion. Nous nous sommes concentrés sur des solutions fiables et localisés, c'est-à-dire n'utilisant que des informations sur le voisinage de chaque noeud. Ce type de mécanisme permet également un passage à l'échelle simplifié, car la quantité d'informations nécessaire ne varie pas avec la taille du réseau. Nos études montrent de plus que ces solutions peuvent être aussi efficaces que les méthodes centralisées.<br /><br />Puisque l'ajustement de portée est un mécanisme très important dans la conservation de l'énergie, nous avons proposé une méthode de diffusion originale, basée sur le concept de portée optimale de communication. Cette dernière est calculée de manière théorique grâce au modèle énergétique considéré, et représente le meilleur compromis entre l'énergie dépensée à chaque noeud et le nombre de relais nécessaires. Nous avons ainsi proposé deux protocoles différents basés sur ce concept, chacun étant plus spécifiquement adapté soit aux réseaux ad hoc (TR-LBOP), soit aux réseaux de capteurs (TR-DS).<br /><br />Afin de réduire encore plus la consommation énergétique, nous avons étudié le fameux protocole centralisé nommé BIP. Son efficacité est due au fait qu'il considère la couverture obtenue par une seule émission omnidirectionnelle, au lieu de considérer chaque lien séparément. Nous avons proposé une solution localisée basée sur BIP, afin de construire incrémentalement une structure de diffusion. Nous avons montré de manière expérimentale que les résultats ainsi obtenus sont très proches de ceux fournis par BIP, notamment dans les réseaux de forte densité, tout en n'utilisant que des informations locales à chaque noeud.<br /><br />Nous avons finalement considéré la suppression d'une hypothèse forte, largement répandue dans la communauté des réseaux ad hoc et de capteurs : l'utilisation d'un graphe du disque unitaire. Ce dernier définit la zone de communication d'un noeud comme étant un cercle parfait. Nous avons remplacé cette hypothèse par une autre plus réaliste afin d'en étudier les conséquences sur un protocole connu, le protocole de diffusion par relais multipoints (MPR). Nous avons montré que ce dernier ne fournit plus de résultats suffisants dans un tel environnement. Nous avons également proposé quelques modifications afin d'obtenir à nouveau de bons résultats.

Ce travail de thèse traite différents aspects de la conception basse consommation. Tout d’abord, le concept du calcul réversible, considéré comme le premier essai pour un calcul sans dissipation, est présenté. Puis, je me suis intéressée aux dissipations des circuits complémentaires MOS puisque c’est la logique la plus couramment utilisée dans les circuits numériques. J’ai proposé deux approches pour réduire la consommation de ces circuits numériques. La première approche porte sur la réduction de la dissipation due aux glitchs. J’ai proposé une nouvelle méthode qui consiste à adapter les tensions de seuil des transistors pour assurer un filtrage optimal de ces glitchs. Les résultats de simulation montrent que nous obtenons jusqu’à16% de réduction des glitchs, ce qui représente une amélioration de 18% par rapport à l’état de l’art sur la base des circuits de référence ISCAS85. La deuxième approche porte sur la réduction de la dissipation obtenue en faisant fonctionner les transistors MOS en régime d’ inversion faible (sous-seuil). Les circuits fonctionnant dans ce régime représentent une solution idéale pour les applications ultra-basse-consommation. Par contre, l’une des préoccupations majeures est qu’ils sont plus sensibles aux dispersions des processus de fabrication, ce qui peut entraîner des problèmes de fiabilité. Je propose un modèle compact qui détermine le point d’énergie minimum de façon analytique, donc sans recourir à une simulation type SPICE, tout en étant suffisamment précise vis-à-vis de la variabilité(due à la dispersion). L’écart de résultat entre le modèle compact et un modèle SPICE complet est de 6%. / This thesis focuses on different aspects of ”Low Energy Design”. First, reversible logic, as it is the first attempt for low energy computing, is briefly dis- cussed. Then, we focus on dynamic energy saving in the combinational part of CMOS circuits. We propose a new method to reduce glitches based on dual threshold voltage technique. Simulation results report more than 16% average glitch reduction. We also show that combining dual-threshold to gate-sizingtechnique is very interesting for glitch filtering as it brings up to 27 % energy savings. In the third part of this dissertation, we have been interested in sub-threshold operation where the minimum energy can be achieved using a reduced supply voltage. Sub-threshold operation has been an efficient solution for energy-constrained applications with low speed requirements. However, it is very sensitive to process variability which can impact the robustness and effective performance of the circuit. We propose a model valid in sub and near threshold regions in order to correctly estimate the circuit performance in a variability aware analysis. We provide an analytical solution for the optimum supply voltage that minimizes the total energy per operation while considering variability effects. Spice simulations matches the analytical result to within 6%.

Le développement de la climatisation individuelle est une préoccupation grandissante pour les pouvoirs publics français. Dans ce cadre, cette thèse vise à évaluer, sous l'angle de l'Analyse Coût-Bénéfice (ACB), des solutions permettant de concilier amélioration du confort d'été et réduction des impacts environnementaux. Après avoir éclairci le concept d'ambiance climatique confortable, des méthodes de monétisation de l'inconfort et des externalités sont développées en vue d'être intégrées dans l'évaluation économique d'actions d'amélioration du confort d'été. Les potentiels d'actions portant sur l'enveloppe et l'usage des bâtiments sont ensuite quantifiés en termes de réduction des besoins de refroidissement (locaux climatisés) et d'amélioration du confort d'été (locaux non climatisés). Des stratégies efficaces de lutte contre l'inconfort sont identifiées. Il apparaît d'autre part que les rénovations d'enveloppe des bâtiments, réalisées en vue de réduire les besoins de chauffage, peuvent fortement détériorer le confort d'été. Les potentiels d'amélioration des performances environnementales des climatiseurs sont ensuite estimés, ce qui nécessite le développement d'une méthode d'évaluation de l'efficacité énergétique saisonnière des appareils. L'Analyse en Cycle de Vie réalisée montre que l'atténuation des impacts requiert de se concentrer sur la réduction des consommations électriques puis sur le cycle de vie du fluide frigorigène. Enfin, l'ACB d'actions d'amélioration du confort d'été est réalisée, puis complétée par un travail prospectif d'estimation des impacts de la climatisation dans le parc existant français. La superficie climatisée pourrait croître de 650 % d'ici 2030, le secteur résidentiel représentant alors l'essentiel des surfaces (90 %). Des mesures de maîtrise de la demande d'énergie, associées à la récupération des fluides frigorigènes, peuvent néanmoins réduire fortement les impacts engendrés.

Les exigences croissantes sur l'efficacité énergétique des bâtiments, l'évolution du {marché} énergétique, le développement technique récent ainsi que les particularités du poste de chauffage ont fait du MPC le meilleur candidat pour la régulation thermique des bâtiments à occupation intermittente. Cette thèse présente une méthodologie basée sur la commande prédictive distribuée visant un compromis entre l'optimalité, la simplicité et la flexibilité de l'implantation de la solution proposée. Le développement de l'approche est progressif : à partir du cas d'une seule zone, la démarche est ensuite étendue au cas multizone et / ou multisource, avec la prise en compte des couplages thermiques entre les zones adjacentes. Après une formulation quadratique du critère MPC pour mieux satisfaire les objectifs économiques du contrôle, la formulation linéaire est retenue. Pour répartir la charge de calcul, des méthodes de décomposition linéaire (comme Dantzig-Wolfe et Benders) sont employées. L'efficacité des algorithmes distribués proposés est illustrée par diverses simulations.

Aujourd'hui les réseaux de capteurs sont devenus des systèmes pouvant atteindre un très grand nombre de nœuds, avec une zone de couverture déterminée et déployés d'une manière plus ou moins dense dans un environnement hétérogène dont on mesure ainsi son état global. La problématique de cette thèse consiste à concevoir une architecture pour les objets communicants à faible consommation en utilisant des antennes " intelligentes " pour l'instrumentation et la mesure. Intégrant une approche pluridisciplinaire, cette architecture couvre les services offerts depuis les couches MAC jusqu'à celles de plus haut niveau. Basés sur une partie matérielle complètement reconfigurable (amplificateur de puissance et antennes à base de MEMS RF), les services des couches supérieures sont définis en partie sur circuits numériques pour la couche physique (bande de base) et la couche MAC, et de manière logicielle pour les protocoles de routages adaptés et les services innovants. En résumé, le travail consiste à concevoir un système autonome multi capteurs, d'acquisition et de traitement avec mémorisation, communicant à travers un réseau sans fil. Les principaux problèmes à résoudre seront : - Le contrôle de la topologie - La précision de la synchronisation - La consommation d'énergie.

Aujourd’hui, les appareils mobiles sont présents dans le monde entier. Ces appareils permettent aux utilisateurs d'accéder à l’Internet notamment par l'intermédiaire des réseaux WiFi. La diversité et le nombre de déploiements sans coordination centrale (y compris les utilisateurs à leur domicile) conduit à des déploiements qu’on peut qualifier de chaotiques. En conséquence, les réseaux WiFi sont largement déployés avec une forte densité dans les zones urbaines. Dans ce contexte, les utilisateurs et les opérateurs tentent d’exploiter ces déploiements pour obtenir une connectivité omniprésente, et éventuellement d'autres services. Cependant, pour tirer parti de ces déploiements, il faut des stratégies pour identifier les réseaux utilisables et choisir les plus adaptés aux besoins. Pour cela, nous étudions le processus de découverte des réseaux dans le contexte de ces déploiements. Ensuite, nous présentons une plateforme de partage de mesures sans fil, un système d'information collaboratif où les stations mobiles recueillent des mesures du réseau et les envoient à un système central. En rassemblant mesures provenant de différents utilisateurs, la plateforme donne accès à des caractéristiques du déploiement précieuses. Nous évaluons l'utilité de cette plateforme collaborative grâce à deux applications : (1) l’ensemble minimal de points d'accès, afin de réduire l'énergie nécessaire pour offrir une couverture WiFi dans une zone donnée. (2) l'optimisation des paramètres de recherche de réseau, afin de réduire le temps nécessaire pour découvrir les réseaux existants. Ensuite, nous étudions une méthode passive pour déterminer si un réseau fonctionne dans un canal saturé. / Nowadays, mobile devices are present worldwide, with over 4.40 Billion devices globally. These devices enable users to access the Internet via wireless networks. Different actors (e.g., home users, enterprises) are installing WiFi networks everywhere, without central coordination, creating chaotic deployments. As a result, WiFi networks are widely deployed all over the world, with high accesspoint (AP) density in urban areas. In this context, end-users and operators are trying to exploit these dense network deployments to obtain ubiquitous Internet connectivity, and possibly other services. However, taking advantage of these deployments requires strategies to gather and provide information about the available networks. In this dissertation, we first study the network discovery process within the context of these deployments. Then, we present the Wireless Measurements Sharing Platform, a collaborative information system, to which mobile stations send simple network measurements that they collected. By gathering and processing several network measurements from different users, the platform provides access to valuable characteristics of the deployment. We evaluate the usefulness of this collaborative platform thanks to two applications: (1) the minimal access point set, to reduce the energy needed to offer WiFi coverage in a given area.(2) The optimization of the scanning parameters,to reduce the time a mobile station needs for the network discovery. Finally, we describe a method to identify whether an AP operates ina saturated channel, by passively monitoring beacon arrival distribution.

L’éco-conduite a été identifié comme l’un des moyens efficaces pour l’économie d’énergie dans le domaine des véhicules terrestres. Le gain potentiel en consommation ainsi que sa facilité de mise en œuvre, rendent cette solution très recherchée dans le milieu industriel pour à la fois améliorer la consommation des véhicules mais aussi satisfaire les utilisateurs. Cette thèse contribue au développement d’un système actif d’aide à l’éco-conduite pour assister le conducteur dans son économie d’énergie. Ce système s’appuie sur une optimisation énergétique et tient compte de l’interaction du conducteur avec le véhicule et son usage (la route). Nous avons tout d’abord développé un modèle multi-variable de style de conduite pour représenter le conducteur humain par un modèle virtuel. L’identification des paramètres de ce modèle a permis de caractériser trois styles de conduite sur plusieurs cas d’usage et de reproduire de manière assez fidèle les trois niveaux de consommation de carburant. Considérant les cas d’usage péri-urbains et autoroutiers, le problème d’optimisation de la trajectoire sur des critères énergétiques a été reformulé afin de déterminer un profil de vitesse constant par morceaux minimisant la consommation d’énergie, tout en respectant la durée de trajet désirée et les limitations de vitesse. Le profil de vitesse optimal fournit des vitesses cibles, informations du premier ordre pour réduire la consommation. Plusieurs extensions ont été ensuite introduites dans la trajectoire optimale afin d’y intégrer l’anticipation des phases de décélération et les phases d’accélération. L’originalité principale de cette approche est le temps de calcul extrêmement faible, tout en obtenant des résultats très proches des résultats optimaux issus de méthodes classiques d’optimisation (ex. programmation dynamique). Afin d’aller encore plus loin dans l’éco-conduite, nous avons étudié la possibilité de réduire la consommation d’énergie en intégrant des stratégies de conduite telle que le ''swaying'' qui consiste en une oscillation de la vitesse du véhicule autour d’une vitesse moyenne. Nous avons alors pu montrer que, « en théorie », il existe bien des paramètres permettant de réduire la consommation de cette manière. Le système actif d’aide à l’éco-conduite a donc été développé en conjuguant les deux aspects précédents. Il se base sur le partage de la commande moteur entre le conducteur humain et un contrôleur optimal. Des niveaux de partage variables ont été établis afin de représenter différents niveaux d’économie d’énergie et d’intervention sur la conduite du conducteur. Enfin, ce système d’aide actif a été testé expérimentalement sur un simulateur de conduite. / Eco-driving has been identified as one of the most effective ways to save energy in the field of ground vehicles. The potential gain in fuel consumption reduction as well as its easy implementation, make this solution very sought after in the industrial environment for improving both the fuel consumption of vehicles and the user satisfaction. This thesis contributes to the development of an active eco-driving support system for assisting the driver to improve his fuel economy. This system is based on energy optimization and takes into account the driver's interaction with the vehicle and its use (the road). For this purpose, first of all a multi-variable driving style model is developed to represent the human driver by a virtual model. The identification of the parameters of this model made it possible to characterize three driving styles in several use cases and to reproduce the three levels of fuel consumption fairly accurately. Considering the suburban and motorway use cases, the trajectory optimization problem based on energy criteria has been reformulated in order to determine a piecewise constant velocity profile minimizing energy consumption, while respecting constraints on trip duration and velocity limitations. The optimal velocity profile provides target cruising velocity, which is the first order information to reduce fuel consumption. Several extensions were then introduced in the optimal trajectory in order to incorporate the anticipation of the deceleration phases and the acceleration phases. The main originality of this approach is the extremely low computation time, while obtaining results very close to the optimal solution, achieved by classical optimization methods (e.g. dynamic programming). In order to investigate even further in eco-driving, we have studied the possibility of reducing energy consumption by integrating driving strategies such as ''swaying'', which consists of an oscillation of the vehicle's speed around an average speed. We were then able to show that, "theoretically", this problem can be parametrized so that the energy consumption is reduced. The active eco-driving support system was therefore developed by combining the two previous aspects. It is based on the shared control of the engine between the human driver and an optimal controller. Variable sharing laws have been established to represent different levels of optimal controller intervention on human driver driving, which results to different levels of fuel economy. Finally, this active support system has been tested experimentally on a driving simulator.

Les diodes électroluminescentes (LEDs) constituent de nouvelles solutions pour créer des luminaires plus robustes, ayant un meilleur rendement de conversion et plus respectueuses de l'environnement. Malgré les avantages indiscutables déjà obtenus aujourd'hui, ce type de luminaire présente encore quelques optimisations possibles et offre des possibilités de fonctionnalités multiples. A travers plusieurs campagnes de tests, l'auteur montre sur des LEDs du commerce, que les points d'optimisation non encore exploités dans les luminaires commerciaux. Ces LEDs ont ainsi été testés sur de larges plages de fonctionnement du point de vue photométrique, électrique mais aussi thermique pour connaitre la reproductibilité des résultats obtenus. Ainsi les influences des conditions d'utilisation notamment en température de fonctionnement et niveaux de courant d'alimentation ont été étudiées. Pour dimensionner au mieux une alimentation électrique spécifique, une recherche de modèles de LED élémentaires a été effectuée. L'objectif est que les modèles tiennent compte des principaux paramètres mais soit suffisamment simple pour être inséré dans un environnement système afin de simuler le luminaire dans son environnement complet. Ainsi, l'étude comparative de plusieurs associations de LEDs a été effectuée permettant d'en déduire des compromis pour proposer de nouvelles solutions faibles consommatrices d'énergie à coût réduit incluant de nouveaux types d'alimentation. / Light emitting diodes (LEDs) bring new possibilities to get luminaires more robust with an improved efficiency and more environmentally respectfull. Despite the benefits already achieved today, this type of luminaire still presents some possible optimizations and provides opportunities for multiple features. Through several tests, the author shows on LEDs in market that optimization points are not operated in commercial luminaires. These LEDs have been tested over a wide range of operation in photometric, electrical but also thermal to know the reproducibility of the results. Thus the influences of operating conditions including operating temperature and supply current levels were studied. To design a specific power supply for each LED type, a search of elementary LED models was performed. The objective is to take into account the main parameters of the models but also to be enough simple to be inserted into a system environment to simulate the luminaire in whole environment. Thus, the comparative study of several associations of LEDs was conducted to deduce the best compromise and propose new solutions to reduce energy consumptions and production costs, including new types of power supply.