Cette thèse aborde le sujet de la modélisation du processus de dimensionnement en génie électrique par la simulation numérique. En premier lieu, le formalisme SADT est utilisé pour guider l'utilisateur dans sa simulation numérique. Puis, l'utilisation d'événementiels permet de recituer la simulation numérique dans le processus de dimensionnement en génie électrique. Enfin, une méthode nouvelle est proposée s'inspirant d'Open Inventor et de la méthodologie objet pour tenter de rassembler et de capitaliser I'ensemble des aspects du processus de dimensionnement en génie élechique. Cette méthode nouvelle est associée au langage VRML pour bénéficier de la syntaxe déjà définie

Nos activités quotidiennes impliquent des déplacements sur différents types de sol. Pour des personnes souffrant d'un trouble d’équilibre ou de perte d'autonomie, marcher sur certains sols pourrait s’avérer difficile. Il est d’ailleurs connu que 44% des chutes surviennent en trébuchant ou en glissant sur une surface. Ainsi, en raison du risque de chute que représenteraient certains sols, le premier facteur de risque qui devrait être étudié serait le type de sol. Dans cette thèse, nous présentons l'utilisation d'une chaussure interactive pour la différenciation automatique de six types de sol qui possèdent des propriétés physiques différentes. L'analyse de leur vibration lors du coup de talon a permis de les différencier. En effet, un coup de talon au sol donne une approximation de la réponse impulsionnelle du sol, qui peut être analysée aussi bien dans le domaine temporel que fréquentiel. À partir de ces analyses, un indice permettant la différenciation a été calculé. À l'aide d'un second prototype amélioré et adapté aux tailles des pieds, des personnes atteintes de la maladie de Parkinson (PAMP) ; des personnes âgées sans cette maladie et des jeunes adultes en bonne santé ont effectué deux tests cliniques sur différents types de sol. Un indice du risque de chute en fonction des paramètres d’équilibre est également calculé. De cette deuxième expérience, nous avons conclu que le type de sol affecte grandement l’équilibre humain, les paramètres de la marche et donc le niveau du risque de chute. Dans l’objectif de normaliser les paramètres de la marche, plusieurs recherches ont démontré les effets positifs d’une stimulation auditive et/ou visuelle sur les troubles d’équilibre en particulier chez les PAMP. Cependant, dans ces travaux, peu d'études ont évalué l’effet de la stimulation vibrotactile sous la plante du pied tout en la comparant aux autres types de stimulation. Ainsi, dans une troisième partie de notre thèse, nous avons utilisé et comparé trois types de stimulation (auditive, visuelle et vibrotactile). La fréquence de la stimulation a été fixée à 10% au-dessus de la cadence calculée sur le sol ayant le plus faible risque de chute. En fonction de la cadence obtenue, le second prototype (une semelle interactive) peut activer une stimulation vibrotactile visant à améliorer la marche et le contrôle de l'équilibre. Afin d’évaluer l’effet des stimulations utilisées sur le niveau du risque de chute sur un sol, nous avons comparé ces derniers résultats (avec stimulation) avec ceux obtenus dans la deuxième expérimentation (sans stimulation). Nos résultats suggèrent qu'une stimulation appropriée pourrait contribuer à la réduction d’un niveau du risque de chute sur un sol. Nous avons trouvé une différence significative et une diminution des risques de chutes calculés pour la plupart des types de sol en particulier pour les sols déformables qui peuvent faire chuter une personne présentant un trouble de la marche ou en perte d'autonomie. Our daily activities imply displacements on different types of soil. For people with a balance disorder or losing functional autonomy, walking on some types of soil could be difficult. It is known that 44% of falls occur by stumbling or sliding on a surface. Thus, due to the risk of falling of some soils, the first risk factor that should be studied would be the type of soil. In this thesis, we present the use of an interactive shoe for the automatic differentiation of six types of soil with different physical properties. The analysis of their vibration during the heel strike allows differentiating them. Indeed, a heel strike on the soil gives an approximation of the impulse response of the soil, which can be analyzed both in the temporal and frequency domain. From these analyzes, an index allowing differentiation was computed. Using a second improved prototype adapted to the size of the feet, people with Parkinson's disease (PD); the elderly without this disease and healthy young people carried out two clinical tests on different types of soil. An index of the risk of falling as a function of the gait parameters is also computed. From this second experiment, we concluded that the types of soil greatly affect the human balance, the walking parameters and therefore the level of risk of falling. To regulate walking and balance parameters, several studies have demonstrated the positive effects of auditory and/or visual stimulation on balance disorders, particularly in PD participants. However, in these works, few studies have evaluated the effect of vibrotactile stimulation under the sole of the foot while comparing it with other types of stimulation. Thus, in a third part of our thesis, we used and compared three types of stimulation (auditory, visual and vibrotactile). The frequency of stimulation was set at 10% above the cadence evaluated on the soil with the lowest risk of falling. Based on this cadence, the second prototype (an interactive insole) could activate a vibrotactile stimulation to improve walking and balance control. To evaluate the effect of the stimulations on the level of risk of falling over the soil, we compared these results (with stimulation) with those obtained in the second experiment (without stimulation). Our results suggest that an appropriate stimulation may contribute to reducing the risk of falling on soil. We found a significant difference and reduction in the risk of falls computed for most types of soil, particularly for deformable soils that can lead a person with a walking disorder or losing functional autonomy to fall.

La dégradation du contrôle postural observée avec l’âge est en partie responsable du problème d’équilibre chez les ainés, essentiellement pendant la marche. En effet, une perte progressive du tonus postural génère une démarche irrégulière, et augmente, par conséquent, le risque de chute [5]. L’état de santé des personnes âgées se trouve considérablement affecté après une chute et conduit souvent à l’hospitalisation et par la suite à l’isolement. Cela constitue une grande préoccupation, pour elles, pour leur entourage et la société. Le risque de chute est également plus important dans certaines pathologies chroniques comme la maladie de Parkinson et les différentes Ataxies [6, 7]. Ce risque dépend de facteurs intrinsèques liés à des problèmes de santé (déficience visuelle, une diminution de la mobilité des membres inférieurs, la dégradation proprioceptive et les troubles cognitifs [9], troubles d’origine médicamenteuse), et de facteurs extrinsèques liés à l’environnement (faible luminosité, conditions climatiques particulières, et les sols glissants ou déformables) [10]. Le sol étant un facteur de risque externe majeur, il s’avère crucial d’évaluer le niveau de risques de chute en fonction des propriétés physiques des sols (dureté, déformation, et adhérence), et en fonction de leur composition (béton, terre, parquet, sable, et le gravier). La première approche pour pallier les chutes consiste à intervenir en urgence pour les prendre en charge. Mais ceci ne réduit pas les conséquences souvent dramatiques qui en découlent. La deuxième approche vise à réduire la probabilité d’occurrence et idéalement les éliminer. Les tests classiques utilisés pour l’évaluation de l’équilibre d’une personne comme celui du Berg Balance Scale ou du TUG « Test de la chaise chronométré » sont subjectifs [11]. En revanche les mesures réalisées par les capteurs de mouvement positionnés sur le corps sont objectives et complètent par conséquent les tests classiques. Les tests cliniques utilisés pour l’évaluation des risques de chute comme le TUG soit le « Test de la chaise chronométré » ont récemment été améliorés par l’introduction d’instrumentations, spécialement des capteurs portés sur le corps (iTUG). Mais l’évaluation par le TUG instrumenté (iTUG) ne prend pas en considération la capacité de mesure sur des types de sols différents [12]. Ce projet de recherche a donc comme objectif de développer un dispositif mécatronique portable qui permettra de mesurer les risques de chute lors des activités quotidiennes. Il s’agit d’un appareil simple d’utilisation et non invasif, équipé d’une centrale inertielle et de capteurs. Sa fonction principale sera d’évaluer les différents facteurs sélectionnés pour le calcul d’un risque de chute. À cet effet, nous présenterons, une nouvelle méthodologie d’évaluation des risques de chute basée sur la mesure quantitative des paramètres de la démarche en vue d’améliorer le test TUG instrumenté. Le dispositif de mesure proposé sera développé en considérant différents types de sols susceptibles d’avoir un impact sur la démarche humaine. Ainsi il est prévu que, la simulation d’un environnement réel de la marche améliore grandement la capacité de différencier les niveaux de risque par une évaluation quantitative des paramètres quantitativement les paramètres intrinsèques à la démarche. Ce dispositif peut aussi mesurer les paramètres environnementaux comme la température, l’humidité et la pression atmosphérique pour une meilleure évaluation au quotidien des risques de chute. La méthode privilégiée et employée dans ces travaux de recherche est celle de la logique floue permettant d’établir une gamme de niveaux de risques différentiables. L’objectif final de ce dispositif sera de transmettre, en fonction du temps et de manière fiable, un message tactile lorsqu’un risque est détecté, cependant cela ne sera pas abordé dans ces travaux de recherche.

Notre projet de recherche consiste à détecter des postures et des mouvements contraignants menant à l’apparition des troubles musculo-squelettiques en milieu de travail. Ce problème de détection a été considéré comme étant un problème de classification supervisée dont le classificateur est un réseau de neurones et les classes sont les différentes postures et mouvements adoptés par un opérateur lors de la réalisation de ses tâches quotidiennes en milieu de travail. Un problème de classification supervisée se réalise en général en trois étapes : 1) l’étape de l’acquisition des signaux, 2) celle du prétraitement, et enfin, 3) celle de la classification. À la première étape, l’acquisition des signaux consiste à mesurer les postures et les mouvements de l’opérateur à l’aide d’un instrument de mesure non-invasif, non-intrusif capable de fonctionner dans son milieu de travail in-situ. L’étape de prétraitement consiste à réduire les signaux acquis à un ensemble de caractéristiques permettant de bien distinguer entre les différentes classes. Pour recueillir les caractéristiques, nous avons utilisé une méthode directe, qui regroupe les caractéristiques globales du déplacement du centre de pression utilisées généralement dans les études de posturologie et d’autres caractéristiques relatives aux accélérations de la tête. Nous avons également proposé une nouvelle méthode, dite graphique qui consiste à discrétiser la surface de la semelle sur laquelle le centre de pression se déplace. D’autre part, afin de réduire le nombre de ces caractéristiques et n’en retenir que les plus pertinentes, nous avons mis en place un nouveau modèle hybride de sélection des caractéristiques dont la singularité réside dans la combinaison de techniques utilisées. Enfin, lors de l’étape de classification, il s’agit d’utiliser les caractéristiques retenues à l’étape de prétraitement comme entrées pour le réseau de neurones. Les résultats de classification obtenus à la fin sont de 95% avec 11 caractéristiques (huit (8) provenant de la méthode directe et trois (3) de la méthode graphique). Bien qu’utilisées seules, les caractéristiques de la méthode graphique ne nous donnent pas les meilleurs résultats de classification (près de 60%), en les ajoutant aux caractéristiques de la méthode directe, le taux de reconnaissance est passé de 90% à 95%. Sans l’étape de réduction de dimensionnalité, nous n’aurions pas pu dépasser un taux de reconnaissance de 70% avec seulement huit (8) caractéristiques de la méthode directe. Enfin, nous avions également développé nos propres fonctions de validation croisée et de sélection de caractéristiques sur MatLAB, ce qui a nettement amélioré nos résultats, en passant de 85% (comme étant le meilleur taux de classification obtenu), à 95% à l’aide de nos propres fonctions.

Les machines asynchrones sont omniprésentes dans les systèmes de production automatisé à cause de leur robustesse et leur facilitée de mise en oeuvre. Néanmoins, ces moteurs électriques concèdent tout de même des défauts (ex : court-circuit entre spires, barre rotoriques rompues) menant à des arrêts non planifiés. Par conséquent, les industries manufacturières investissent des ressources importantes afin de les éviter avec des programmes de maintenance qui sont partiellement inefficace. C’est dans ce contexte que, depuis plusieurs décennies, des chercheurs proposent des travaux permettant de diagnostiquer l’état des machines asynchrones. Cependant, les solutions ne donnent que très rarement la localisation et l’estimation du degré de sévérité des anomalies qui ne permet pas de prioriser les actions pour l’amélioration de la maintenance. De plus, la majorité des moyens de diagnostic ne sont pas adaptifs à d’autres gammes de moteur et les études ne prennent pas en compte la commande des machines asynchrones pour les applications à vitesse et couple variables. Ainsi, nous proposons dans cette thèse une nouvelle approche pour l’amélioration du processus de maintenance par la reconnaissance des défauts de la machine asynchrone reposant principalement sur l’exploitation des modèles d’intelligence artificielle. Celle-ci permettra de détecter, de localiser et d’estimer le degré de sévérité des anomalies du moteur grâce à ses courants statoriques. La solution donnée dans cet ouvrage est adaptif et surtout a été testé pour une machine possédant une commande et un asservissement de vitesse avec des différents profils de vitesse et couple variables. Pour ce faire, la recherche proposée exploite les modèles mathématiques de la machine asynchrone et de ses défauts afin de simuler les différents comportements de celle-ci. Les simulations serviront à créer des bases de données grâce à l’extraction de caractéristiques issue du traitement des signaux. Chacune des séries de données appartient à une catégorie décrivant le défaut du moteur. Par la suite, des algorithmes de classification permettront de reconnaître les anomalies de la machine asynchrone. Nous présentons également une approche hiérarchique qui améliore le taux de reconnaissance des défectuosités du moteur à induction. Ce projet se situant à la frontière des domaines du génie électrique, du génie informatique et des mathématiques constitue un défi complexe et formidable de recherche scientifique. Induction machines are omnipresent in production systems because of their sturdiness and their ease of implementation. Nevertheless, these electrical motors still concede failures (e.g. inter-turn short circuit, broken rotor bar), which may lead to unplanned shutdowns. Consequently, manufacturing industries invest significant resources to avoid them with maintenance, which is partially inefficient. In this context, some studies propose solutions to abnormal diagnostic conditions of the induction machine. Nevertheless, they rarely localize the defect and estimate the severity of the failure, which does not allow prioritizing action for the maintenance improvement. In addition, solutions are not adaptive for other motors, and studies do not include the control part very useful for speed and torque variable applications. Thus, in this thesis, we propose a new approach improving the maintenance process by the recognition of the induction machine failures. It relies mainly on Artificial Intelligence models and will allow to detect, localize and to estimate the degree of severity of the asynchronous motor faults thanks to the exploitation of current signals. The solution given in this project is adaptive and have been tested for induction machines operating with a speed and drives control. In addition, several speed and resistant torque profiles have been applied. To do this, the research proposed exploits the mathematical models of the induction machine operating under the healthy and faulty conditions. Simulations allow creating some datasets thanks to the feature extractions and the signals processing. Each vector of data belongs to a category describing the failure. Then, classification algorithms will recognize the induction machine defects. We also present a hierarchical approach, which improves the recognition rate. This project being a mix of electrical engineering, informatics and mathematic is a complex and amazing challenge of scientific research.

Le chapitre 1 introduit le sujet et son contexte. Les verrous sont identifiés.Le chapitre 2 fait l’état de l’art sur la topologie des enroulements constituants le transformateur.Les points forts et les points faibles des différentes topologies sont discutés. Les différents matériaux nécessaires à la réalisation de transformateurs (conducteur, magnétique et isolant) satisfaisant les exigences sur la haute température et la haute fréquence sont identifiés.Enfin, je présenterai la méthode de fabrication LTCC qui constitue une alternative à la technologie développée dans ce mémoire.Le chapitre 3 traite de la modélisation et de la conception des transformateurs en définissant la structure et ses degrés de libertés. L’utilisation des calculs analytiques et de simulations par la méthode des éléments finis permettent d’évaluer des transformateurs à enroulements entrelacés et à enroulements concentriques avec une bonne précision. Le chapitre 4 présente les procédés technologiques permettant la fabrication collective de transformateurs sur substrat magnétique. Il s’agit de l’isolation du substrat, de la croissance électrolytique des enroulements et de l’assemblage final du transformateur.Le chapitre 5 présente les méthodes de caractérisations de différentes propriétés du transformateur : résistance des enroulements en continu, inductances propres d’un enroulement et capacité d’isolement entre enroulements primaire et secondaire. Ces caractérisations permettent de confirmer les calculs analytiques et les hypothèses sur lesquelles ils reposent ainsi que les simulations magnétostatique et électrostatique par éléments finis.Le chapitre 6 permettra de conclure sur les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse et d’ouvrir des perspectives pour des travaux futurs / Chapter 1 introduces the topic and its associated context. Locks are identified.Chapter 2 is reviewing state of the art of winding topologies. Their strengths and weaknesses are discussed. Then, materials required for transformers microfabrication (conductors, magnetic material and insulation material) satisfying both high temperature and high frequency criteria are identified. Finally, LTCC fabrication process, an alternative to process used here, is presented.Chapter 3 discuss modelisation and design of transformers by defining the structures and its degrees of freedom. Analytical expressions and finite element analysis allows evaluation of interleaved transformer and tapped transformer within a good accuracy.Chapter 4 present technological process involved in batch-processed fabrication of transformers onto magnetic substrate. Processes are substrate insulation, conductors electrolytic growth of windings and final assembly of transformers.Chapter 5 present characterization methods of several properties of the transformers such as DC winding resistance, self-inductances of windings and isolation capacitance between primary and secondary winding. These characterizations confirm analytical expressions and their underlying hypothesis as well as magnetostatic and electrostatic finite element analysis.Chapter 6 concludes on work achieved during this PhD thesis and opens to further perspectives

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