La mission Pierre Angulaire de l'ESA, Gaia, doit bâtir un catalogue d'étoiles limité seulement par leurs magnitudes. Ce milliard d'objets doit être détecté à bord pour pouvoir être observé et les exigences scientifiques et techniques font de ce problème un défi d'ingénierie. Nous avons élaboré un prototype pour estimer les performances accessibles et servir au dimensionnement de l'électronique à bord (TDA PDHE). Il s'appuie sur une séquence de quatre tâches: la calibration des données issues des CCDs, l'estimation du fond de ciel, l'identification des objets et, enfin, leur caractérisation pour commander les observations elles-mêmes. Bien qu'inspirée par des études antérieures (APM, Sextractor), cette approche a été intégralement révisée et adaptée aux spécificités de Gaia. Suite aux recommandations du TDA PDHE, une implémentation mixte est proposée qui traite les volumes de données importants et soumis aux contraintes de temps-réel ``dures'' avec de l'électronique dédiée (FPGA) et réalise les traitements complexes ou variables via du logiciel. Cette partition correspond aussi à subdiviser les opérations précédentes en un domaine pixel et un domaine objet. Notre démonstrateur montre que les attentes scientifiques sont satisfaites en termes de complétude, de précision et de robustesse à la diversité des configurations. Techniquement parlant, notre pipeline, optimisé quant à la surface et la consommation électrique, permet l'identification d'une technologie cible. Notre modèle n'a pas été retenu pour les phases industrielles de Gaia mais, outre son utilité avérée dans le projet, représente une R&D pour la génération de satellites à venir.

L'objectif de cette thèse est de spécifier et d'implanter une architecture de système d'exploitation flexibles. Cette architecture est nommée THINK.<br />Nous montrons qu'il est possible de capturer sous la forme de canevas logiciels des concepts et des principes d'architecture rencontrés dans les systèmes d'exploitation centralisés, embarqués ou répartis. Ces concepts sont au nombre de trois ; des composants, des liaisons modélisant les interactions, et des domaines modélisant l'isolation. Cette approche autorise la construction de noyaux d'infrastructure variés, susceptibles d'être mis en place, statiquement ou dynamiquement, depuis des systèmes dédiés à une application jusqu'aux systèmes monolithiques classiques en passant par les différentes formes de micronoyaux.<br />Nous implantons sur ce modèle une bibliothèque, nommée KORTEX, destinée aux machines POWERMACINTOSH. Cette bibliothèque propose un ensemble de composants systèmes, offrant d'une part des services du plus bas niveau comme les pilotes de périphérique, et d'autre part des services de haut niveau comme la gestion des processus et des connexions réseaux. La composition arbitraire de ces composants construit le noyau d'infrastructure désiré. La diversité des noyaux d'infrastructure construits à partir de cette bibliothèque, la rapidité et la simplicité de programmation offertes par les outils de développement, prouvent l'adéquation du modèle.<br />Les évaluations quantitatives du modèle d'architecture THINK et de la bibliothèque KORTEX de composants systèmes démontrent la viabilité de l'approche proposée. Les implantations du concept de liaison n'engendrent pas un coût inacceptable et elles permettent même d'obtenir des performances similaires à celles de la littérature. De plus, les bénéfices apportés par la structure flexible peuvent potentiellement être importants. Tout d'abord, les évaluations montrent un accroissement des performances d'exécution sur des noyaux de systèmes classiques. Ensuite, les besoins en ressources matérielles requis pour l'exécution des systèmes sont grandement diminués, ce qui offre des perspectives d'utilisation dans les environnements fortement contraints.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la mise en œuvre de l'ingénierie dirigée par les modèles (IDM) pour le développement des systèmes embarquées. Ces systèmes ayant généralement des ressources limitées (mémoire et/ou calculs), exigent que le code généré soit le plus optimisé possible. L'objectif de cette thèse est de produire à partir d'un modèle spécifié dans le langage UML, un code assembleur plus compact que le code assembleur produit par les compilateurs de code. Malgré l'évolution croissante des compilateurs optimisés, les compilateurs les plus répandus comme le GCC (Gnu Compiler Collection) sont incapables d'effectuer certains types d'optimisations qu'il est possible d'effectuer à un plus haut niveau d'abstraction dans une phase de pré-génération de code. En effet, certaines informations (liées à la sémantique d'exécution du langage UML) sont perdues lors de la génération de code. Ces informations, utiles pour les optimisations de haut niveau, sont invisibles par le compilateur de code vue qu'il prend toutes les informations liées au système modélisé à partir du code généré. Nous proposons ainsi une nouvelle approche dirigée par les modèles pour le développement des systèmes à ressources limitées, qui élimine l'étape de la génération de code en remplaçant cette étape par une compilation directe des modèles. Nous avons développé le premier compilateur de modèles UML (GUML : le front-end UML pour le compilateur GCC) qui génère directement de l'assembleur (sans passer par un langage de programmation) à partir des modèles UML. GUML permet de compiler les classes, les activités et les machines à états UML. Il permet de générer, en compilant certaines machines à états, un code assembleur plus compact que le code assembleur produit par GCC. Deux optimisations de GCC sont améliorées : l'élimination de code mort et l'élimination des expressions redondantes.

Les travaux présentés dans le cadre de cette Habilitation à Diriger des Recherches s'inscrivent principalement dans la problématique dite d'" Adéquation Algorithme Architecture ". Ils ont pour objectif commun la mise en œuvre de systèmes matériels et logiciels dédiés à la vision artificielle à fortes contraintes temporelles. Ils se focalisent sur différents aspects cruciaux tels que l'acquisition d'images par des capteurs dédiés, le développement et la programmation d'architectures optimisées de traitement des images et l'implantation d'algorithmes de traitement du signal et d'images en temps réel sur ces architectures.

La vérification automatique du locuteur est une tâche de classification qui vise à confirmer ou infirmer l'identité d'un individu d'après une étude des caractéristiques spécifiques de sa voix. L'intégration de systèmes de vérification du locuteur sur des appareils embarqués impose de respecter deux types de contraintes, liées à cet environnement : - les contraintes matérielles, qui limitent fortement les ressources disponibles en termes de mémoire de stockage et de puissance de calcul disponibles ; - les contraintes ergonomiques, qui limitent la durée et le nombre des sessions d'entraînement ainsi que la durée des sessions de test. En reconnaissance du locuteur, la structure temporelle du signal de parole n'est pas exploitée par les approches état-de-l'art. Nous proposons d'utiliser cette information, à travers l'utilisation de mots de passe personnels, afin de compenser le manque de données d'apprentissage et de test. Une première étude nous a permis d'évaluer l'influence de la dépendance au texte sur l'approche état-de-l'art GMM/UBM (Gaussian Mixture Model/ Universal Background Model). Nous avons montré qu'une contrainte lexicale imposée à cette approche, généralement utilisée pour la reconnaissance du locuteur indépendante du texte, permet de réduire de près de 30% (en relatif) le taux d'erreurs obtenu dans le cas où les imposteurs ne connaissent pas le mot de passe des clients. Dans ce document, nous présentons une architecture acoustique spécifique qui permet d'exploiter à moindre coût la structure temporelle des mots de passe choisis par les clients. Cette architecture hiérarchique à trois niveaux permet une spécialisation progressive des modèles acoustiques. Un modèle générique représente l'ensemble de l'espace acoustique. Chaque locuteur est représenté par une mixture de Gaussiennes qui dérive du modèle du monde générique du premier niveau. Le troisième niveau de notre architecture est formé de modèles de Markov semi-continus (SCHMM), qui permettent de modéliser la structure temporelle des mots de passe tout en intégrant l'information spécifique au locuteur, modélisée par le modèle GMM du deuxième niveau. Chaque état du modèle SCHMM d'un mot de passe est estimé, relativement au modèle indépendant du texte de ce locuteur, par adaptation des paramètres de poids des distributions Gaussiennes de ce GMM. Cette prise en compte de la structure temporelle des mots de passe permet de réduire de 60% le taux d'égales erreurs obtenu lorsque les imposteurs prononcent un énoncé différent du mot de passe des clients. Pour renforcer la modélisation de la structure temporelle des mots de passe, nous proposons d'intégrer une information issue d'un processus externe au sein de notre architecture acoustique hiérarchique. Des points de synchronisation forts, extraits du signal de parole, sont utilisés pour contraindre l'apprentissage des modèles de mots de passe durant la phase d'enrôlement. Les points de synchronisation obtenus lors de la phase de test, selon le même procédé, permettent de contraindre le décodage Viterbi utilisé, afin de faire correspondre la structure de la séquence avec celle du modèle testé. Cette approche a été évaluée sur la base de données audio-vidéo MyIdea grâce à une information issue d'un alignement phonétique. Nous avons montré que l'ajout d'une contrainte de synchronisation au sein de notre approche acoustique permet de dégrader les scores imposteurs et ainsi de diminuer le taux d'égales erreurs de 20% (en relatif) dans le cas où les imposteurs ignorent le mot de passe des clients tout en assurant des performances équivalentes à celles des approches état-de-l'art dans le cas où les imposteurs connaissent les mots de passe. L'usage de la modalité vidéo nous apparaît difficilement conciliable avec la limitation des ressources imposée par le contexte embarqué. Nous avons proposé un traitement simple du flux vidéo, respectant ces contraintes, qui n'a cependant pas permis d'extraire une information pertinente. L'usage d'une modalité supplémentaire permettrait néanmoins d'utiliser les différentes informations structurelles pour déjouer d'éventuelles impostures par play-back. Ce travail ouvre ainsi de nombreuses perspectives, relatives à l'utilisation d'information structurelle dans le cadre de la vérification du locuteur et aux approches de reconnaissance du locuteur assistée par la modalité vidéo

Le thème de la « navigation bas-coût », caractérisé par le transfert de performance des capteurs vers les algorithmes de fusion de données et de commande, est un thème central dans de nombreuses applications militaires liées en particulier aux besoins nouveaux des troupes légères. L'utilisation de capteurs inertiels ou magnétométriques type MEMS et de GPS civils (notamment), optimise les critères d'encombrement, de masse et de consommation. Mais elle requiert, en compensation des performances relativement médiocres des capteurs, des algorithmes de guidage-navigation-pilotage spécifiques aux applications considérées. Dans ce mémoire, nous considérons trois scénarios d'utilisation et exposons des techniques innovantes pour la localisation et le contrôle. Nous considérons d'abord le cas d'un robot terrestre équipé de capteurs de proximité, d'un gyroscope, d'odomètres et d'un GPS. Nous implémentons expérimentalement avec succès un algorithme d'évitement d'obstacles dont nous établissons une preuve de convergence, ainsi qu'un algorithme de planification de trajectoires hors ligne dont nous utilisons les résultats en temps réel pour réaliser, via un estimateur non linéaire, un bouclage par retour dynamique. Nous étudions ensuite le cas du vol autonome d'une plate-forme aérienne instable de type hélicoptère. Nous développons et implémentons, à bord sur un système de mesure et de calcul temps-réel de notre conception, un estimateur d'état incluant un modèle de la dynamique du vol de l'engin, recalé par les capteurs inertiels, barométriques, et GPS ainsi qu'un bouclage par retour d'état. En utilisant les résultats de filtrage sur les vols effectués, les paramètres du modèle sont précisément identifiés : la qualité et la robustesse de l'estimation obtenues grâce au modèle permettent de réaliser un vol stationnaire autonome en extérieur. Enfin nous considérons le problème d'un piéton évoluant à l'intérieur de bâtiments. Les erreurs d'estimation du cap lors de l'utilisation des différentes plate-formes (terrestre comme aérienne) nous guident vers une utilisation nouvelle du champ magnétique par l'inspection de ses gradients. Par une technique que nous exposons, nous montrons comment utiliser les perturbations (inconnues) du champ magnétique pour améliorer considérablement l'estimation de position d'une centrale inertielle bas-coût au point qu'elle devienne un instrument de localisation.

L'évolution des transports, au cours des dernières décennies, témoigne d'une volonté continue de réduire les contraintes associées à la notion de déplacement. Dans ce but, une part importante des efforts engagés a pour objectif de raccourcir la durée des trajets, essentiellement grâce à l'amélioration des infrastructures et la diversification des modes de transport. La multiplicité modale, censée répondre aux différents besoins des usagers, n'a cependant pas suffi à stopper l'essor de l'automobile au sein des agglomérations. La voiture individuelle est ainsi progressivement devenue la principale source de nuisances et d'accidents urbains. Les solutions étudiées pour remédier à cette situation reposent principalement sur la responsabilité du facteur humain. Elles proposent donc essentiellement de remplacer l'automobile par des systèmes de transport autonomes. L'automatisation des véhicules, progressivement mise en place par la démocratisation des systèmes d'aide à la conduite (ADAS), nécessite le développement de modules de perception de l'environnement, qui analysent et traitent l'information acquise à partir d'un ou plusieurs capteurs. Avec l'explosion des capacités computationnelles des systèmes embarqués, la caméra est devenue l'un des capteurs les plus utilisés, tant pour la richesse de l'information contenue dans une séquence d'images, que pour son faible coût et son encombrement limité. Les travaux présentés dans ce document apportent une solution originale au problème de la perception visuelle pour la conduite automatisée, grâce à une approche monoculaire fondée sur l'étude de contraintes géométriques appliquées au mouvement image.

Les défaillances des applications embarquées dans les systèmes temps-réel strict peuvent avoir des conséquences graves (catastrophes industrielles, mise en danger de vies humaines). La vérification des contraintes temporelles d'un système temps-réel strict dépend de la connaissance du temps d'exécution pire-cas des tâches constituant l'application embarquée. L'utilisation de processeurs multi-cœurs est l'un des moyens actuellement mis en œuvre afin d'améliorer le niveau de performances des systèmes embarqués. Cependant, la détermination du temps d'exécution pire-cas d'une tâche sur ce type d'architecture est rendue difficile par le partage de certaines ressources par les cœurs, et notamment le bus d'interconnexion permettant l'accès à la mémoire centrale. Ce document propose un nouveau mécanisme d'arbitrage de bus à deux niveaux permettant d'améliorer les performances des ensembles de tâches exécutés tout en garantissant le respect des contraintes temporelles. Les méthodes décrites permettent d'établir un niveau de priorité d'accès au bus optimal pour chacune des tâches exécutées. Elles permettent également de trouver une allocation optimale des tâches aux cœurs lorsqu'il y a plus de tâches à exécuter que de cœurs disponibles. Les résultats expérimentaux montrent une diminution significative des estimations de temps d'exécution pire-cas et de l'utilisation du processeur.

La mission spatiale internationale Mars96 devait emporter vers la planète rouge un aérostat développé en France par le CNES. Le guiderope métallique de cet aérostat devait contenir un radar de sondage de la subsurface jusqu'au kilomètre de profondeur. La mission du ballon sur Mars96 a été reportée puis annulée. Ce mémoire présente et discute l'essentiel des développements de ce nouvel instrument radar, certaines parties spécifiques et originales sont détaillées. L'évaluation de performance, l'étude de la dynamique des signaux avec adaptation de l 'instrument, et l'évaluation de la quantité d'information disponible terminent ce mémoire.

L'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) place les modèles au cœur des processus de d'ingénierie logicielle et système. L'IDM permet de maitriser la complexité des logiciels et d'améliorer la rapidité et la qualité des processus de développement. Le Model Driven Architecture (MDA) est une initiative de l'Object Management Group (OMG) définissant un cadre conceptuel, méthodologique et technologique pour la mise-en-œuvre de flots de conception basés sur l'IDM. Le MDA s'appuie particulièrement sur une utilisation intensive des formalismes normalisés par l'OMG pour la mise-en-œuvre des flots IDM (UML pour la modélisation, QVT pour les transformations, etc.). Ce travail s'intéresse à la sémantique d'exécution du langage UML appliqué à l'exécution de modèles des applications temps réel embarquées. Dans ce contexte, l'OMG propose une norme qui définit un modèle d'exécution pour un sous-ensemble d'UML appelé fUML (foundational UML subset). Ce modèle d'exécution définit une sémantique précise non ambigüe facilitant la transformation de modèles, l'analyse, l'exécution de modèles et la génération de code. L'objectif de cette thèse est d'étudier et mettre-en-œuvre un moteur d'exécution de modèles UML pour les systèmes temps réel embarqués en explicitant les hypothèses portant sur la sémantique d'exécution des modèles à un niveau d'abstraction élevé afin de permettre l'exécution d'un modèle le plus tôt possible dans le flot de conception de l'application. Pour cela, nous avons étendu le modèle d'exécution défini dans fUML, en apportant une contribution sur trois aspects importants concernant les systèmes temps réel embarqués : * Gestion de la concurrence: fUML ne fournit aucun mécanisme pour gérer la concurrence dans son moteur d'exécution. Nous répondons à ce problème par l'introduction d'un ordonnanceur explicite permettant de contrôler les différentes exécutions parallèles, tout en fournissant la flexibilité nécessaire pour capturer et simuler différentes politiques d'ordonnancements. * Gestion du temps : fUML ne fixe aucune hypothèse sur la manière dont les informations sur le temps sont capturées ainsi que sur les mécanismes qui les traitent dans le moteur d'exécution. Pour cela, nous introduisons une horloge, en se basant sur le modèle de temps discret, afin de prendre en compte les contraintes temporelles dans les exécutions des modèles. * Gestion des profils : les profils ne sont pas pris en compte par ce standard, cela limite considérablement la personnalisation du moteur d'exécution pour prendre en charge de nouvelles variantes sémantiques. Pour répondre à ce problème, nous ajoutons les mécanismes nécessaires qui permettent l'application des profils et la capture des extensions sémantiques impliquées par l'utilisation d'un profil. Une implémentation de ces différentes extensions est réalisée sous forme d'un plugin Eclipse dans l'outil de modélisation Papyrus UML.