Les organisations actuelles se structurent et agissent en s'appuyant sur leurs systèmes d'information. Malgré les progrès considérables réalisés par la technologie informatique, on constate que les acteurs restent très souvent critiques par rapport à leur systèmes d'information. Une des causes de cet écart entre les espoirs et la réalité trouve sa source dans la difficulté à produire un cahier des charges suffisamment détaillé pour les opérationnels et interprétable par les spécialistes des systèmes d'information. Notre proposition vise à surmonter cet obstacle en organisant l'expression des besoins dans un langage commun aux opérationnels et aux experts techniques. Pour cela, le langage proposé pour exprimer les besoins est basé sur la notion de but. L'ensemble de cette démarche repose sur l'ingénierie dirigée par les modèles. Celle-ci a aujourd'hui montré la majorité de ces résultats dans la phase de développement logiciel et tout particulièrement avec l'approche MDA. Tandis que cette phase est grandement étudiée par la communauté IDM, la phase de spécification et d'expression du besoin est, aujourd'hui, peu approfondie. Notre proposition repose sur la mise en œuvre de l'ingénierie dirigée par les modèles dans cette phase, qui semble être l'une des plus importantes dans le processus de développement logiciel, avec pour objectif d'améliorer la qualité de la spécification des besoins et ainsi apporter une information plus fiable et plus claire aux étapes suivantes. Cette proposition repose sur un méta-modèle de spécification du besoin fonctionnel et d'un mécanisme d'interprétation à l'aide de transformations de modèles.

L'un des problèmes majeurs rencontrés par la robotique est celui du développement d'architectures logicielles de contrôle des robots. Ceci s'explique par la complexité sans cesse croissante de ces architectures, qui doivent intégrer toujours plus de fonctionnalités de divers niveaux d'abstraction (de planification, d'asservissement, de perception, de gestion des modes de fonctionnement, etc.) et qui nécessitent la prise en compte du caractère temps-réel du contrôle. Par ailleurs, les fonctionnalités s'appuyant, directement ou non, sur un ensemble d'éléments matériels embarqués sur le robot, une architecture doit pouvoir être adaptée en fonction de l'évolution technologique (nouveaux capteurs et actionneurs, remplacement d'éléments de la partie opérative, etc.). L'enjeu actuel est donc de définir et intégrer des fonctionnalités sous forme de briques logicielles réutilisables au sein d'architectures de contrôle évolutives, de manière à simplifier le développement. Après avoir fait un tour d'horizon des propositions actuelles, le manuel présente CoSARC, une méthodologie originale couvrant l'intégralité du processus de développement d'un contrôleur de robot. La méthodologie est basée sur un modèle d'architecture et sur un langage à composants. Inspré des propositions historiques d'architectures hybrides, le modèle d'architecture constitue la base du processus de développement. Il définit une organisation générique intégrant une vision hiérarchique du contrôle et il s'appuie sur des concepts abstraits indépendants de tout domaine d'application, tel que celui de ressource . La construction d'une architecture est réalisée en fonction du modèle et à l'aide des éléments d'un langage à composants. Ces éléments correspondent à différentes catégories de composants : composants de représentation dédiés à la description des connaissances sur le monde du robot, composants de contrôle dédiés à la description des activités du robot, composants connecteurs dédiés à la description des protocoles régissant les interactions entre composants de contrôle, composants de configuration dédiés à la description d'une architecture et de son déploiement. Un des aspects essentiels de certains de ces composants réside dans le fait que leur comportement est exprimé sous la forme d'un réseau de Petri à Objets. L'expressivité et la pertinence de la méthodologie sont démontrés sur un exemple traitant du développement d'un robot manipulateur mobile.

La conception concourante de produits matériels centrée sur l’homme est basée sur une collaboration entre le concepteur mécanicien, l’ergonome et le designer industriel. Cette collaboration souvent difficile peut être facilitée par l’utilisation d’objets intermédiaires de conception, tels que la Réalité Virtuelle (RV). Néanmoins, bien que largement utilisée dans l’industrie, la RV souffre d’un déficit d’acceptation de la part des concepteurs de produits. Dans le cadre de ces travaux, nous proposons d’utiliser la RV sous la forme d’outils immersifs d’assistance à la convergence multidisciplinaire développés selon une démarche anthropocentrée en fonction des besoins spécifiques à chaque projet de conception de produits. Afin d’optimiser les délais de développement, nous proposons une méthodologie de conception d’applications immersive dédiée : la méthodologie ASAP(As Soon As Possible). Une première série expérimentale a été conduite dans le cadre de contrats industriels d’études et de recherche afin de valider la faisabilité de la méthodologie et l’efficacité des outils développés.Une deuxième série expérimentale a été effectuée sur plus de 50 sujets dans le cadre de projets, cette fois, pédagogiques qui ont nécessité le développement de 12 applications. Elle a permis de valider quantitativement l’influence des outils immersifs sur l’efficacité perçue des phases de convergence interdisciplinaires ainsi que l’influence de l’approche proposée sur l’acceptation de la RV par les concepteurs de produits. Ces travaux de thèse présentent une première approche qui, selon nous, permettra à terme, de faire évoluer l’usage de la RV vers une intégration plus forte au sein des processus de conception de produits avec, par exemple, une plus large utilisation des applications immersives de modélisation 3D, réelles sources d’innovation. / Human centered and concurring product design is based on the collaboration between mechanical engineers, human factor experts and industrial designers. This collaboration is often difficult and can be eased through the use of intermediary objects such as Virtual Reality (VR). Nevertheless, even though VR is widely used in the industry, it suffers from a lack of acceptance by product designers. In the context of this research work, we suggest to use VR in the form of immersive multidisciplinary convergence support tools. These tools are developed in accordance with an anthropocentered approach, as a function of each specific product design project’s needs. In order to optimize development times, we propose a dedicated immersive software design methodology : the ASAP methodology (As Soon As Possible). A first experiment, aiming to demonstrate the feasibility of the ASAP methodology and the effectiveness of the implemented immersive tools, has been conducted in the context of industrial product design projects. A second experiment, involving more than 50 participants, has been conducted in the context of educational product design projects and led to the development of 12 immersivetools. It demonstrated quantitatively the contribution of immersive tools to the perceived effectiveness of interdisciplinary convergence phases and the contribution of the ASAP methodology on the acceptation of VR by product designers. This research work describes a first approach that could, according to us, allow abetter integration of VR within product design processes.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte des systèmes embarqués qui sont qualifiés de complexes car leur développement nécessite une expertise pluridisciplinaire. Une stratégie de développement s'avère incontournable pour concevoir ces systèmes. Cette complexité est encore plus sévère dans le domaine du développement des systèmes embarqués pour UAV.Nous proposons une approche de développement orientés systèmes embarqués basés COTS. Cette démarche combine plusieurs méthodes issues du génie logiciel classique que nous avons adapté aux systèmes embarqués. Nous avons appliqué cette approche pour développer un système de capteurs embarqués pour un micro-UAV à voilures fixes.Le système embarqué développé a été déployé sur un robot classique, une bicyclette et un modèle réduit d'avion. L'objectif est de valider la consistance des données capteurs, compte tenu de la disparité des dynamiques entres ces systèmes. Ces expériences ont permis de mettre en évidence des similitudes théoriques entre ces 3 dynamiques. L'objectif est de pouvoir valider des systèmes embarqués pour UAV sur des plateformes à moindre coût et à moindre complexité, tout en garantissant la consistance des données capteurs et leur interprétation par rapport aux trois plateformes. Nous avons construit, aussi, une plateforme de simulation dont l’objectif est de supporter l’approche de développement proposée. Nous avons utilisé cette plateforme pour concevoir un système de contrôle, guidage et navigation pour un UAV à voilures fixes. Ces applications montrent, ainsi, l’efficacité de l’approche de développement proposée. / This thesis tackles the problem of embedded system design, which are often qualified as complex systems because their development requires multidisciplinary expertise. A development strategy is then essential to design these systems. As an application, we focused on UAV embedded systems, which show very severe development constraints.We propose a development approach oriented COTS-based embedded systems. This approach combines several methods from classic software engineering filed that we have adapted for embedded systems. We applied this approach to develop an embedded sensors system for a micro fixed wings UAVs.The designed embedded system has been deployed on an UAV, a mobile and a bicycle. The aim is to validate the UAV embedded system using a lower cost platforms and with less complexity, while ensuring sensors data consistency and interpretation regarding the dynamic of the three platforms. These experiments highlight the theoretical similarities between those three dynamics. Furthermore, we built a simulation platform that aims to support the proposed development approach. We used this platform to design a control, guidance and navigation system for a fixed wings UAV. These applications show the effectiveness of the proposed development approach.

L'objectif du travail réalisé dans le cadre de cette thèse est de montrer l'intérêt d'utiliser les FPGAs (Field Programmable Gate Array) comme support pour l'implantation d'algorithmes complexes dédiés à la commande de machines électriques. Pour ce faire, une commande sans capteur mécanique utilisant un filtre de Kalman étendu et basée sur FPGA est réalisée. Cette commande est destinée à piloter une machine synchrone à pôles saillants. Le modèle d-q de la machine basé sur l'approximation d'inertie infinie est implanté. L'ordre du Filtre de Kalman est donc égal à 4 et la complexité totale de la boucle de régulation est évaluée à près de 700 opérations arithmétiques (dont plus de 53% de multiplications). Les apports des solutions FPGAs en termes de performances de contrôle et en termes de capacité d'intégration sont quantifiés.En terme de performances de contrôle, il a été démontré qu'en utilisant de telles solutions matérielles, le temps de calcul est très réduit (de l'ordre de 5µs, 5% de la période d'échantillonnage). Cette rapidité de calcul permet d'avoir un contrôle quasi-instantané ce qui améliore la bande passante de la boucle de régulation. A ce sujet, une comparaison avec les performances obtenues avec une solution logicielle telle que le DSP est effectuée. Dans les deux cas, le comportement dynamique de la boucle de régulation s de vitesse ans capteur est quantifié.En termes de capacité d'intégration, il est possible de développer une architecture commune qui peut être adaptée à plusieurs systèmes. A titre d'exemple, il est possible de développer un filtre de Kalman sur un même FPGA capable d'estimer les grandeurs de plusieurs systèmes sans pour autant affecter les performances de contrôle. En outre, une méthodologie de développement dédiée à de tels algorithmes complexes est proposée. Il s'agit là d'une adaptation des méthodologies proposées dans des travaux de thèse précédents, [62] et [63]. En effet, une étape de spécification préliminaire du système ainsi que des procédures d'optimisation supplémentaires y sont introduites. Ces dernières sont particulièrement nécessaires dans le cas de commandes complexes et permettent une adéquation entre l'algorithme développé et l'architecture FPGA correspondante. De plus, cette méthodologie a été organisée de façon à distinguer l'étape du développement de l'algorithme et l'étape du développement de l'architecture FPGA. Un état de l'art sur les technologies FPGA est également proposé. La structure interne des FPGAs récents est décrite. Leur contribution dans le domaine de la commande des machines électriques est quantifiée. Les différentes étapes de la méthodologie de développement sont présentées. Le développement d'une commande numérique (basée sur FPGA) d'une machine synchrone à aimant permanent associée à un capteur de position Resolver est par la suite traité. Cette application s'inscrit dans un contexte avionique où l'objectif était d'avoir une solution FPGA hautement intégrée. Pour ce faire, le FPGA Actel Fusion est utilisé. Ce composant intègre un convertisseur analogique numérique. La commande, le traitement des signaux Resolver ainsi que la conversion analogique numériques sont implantés sur le même composant.En ce qui concerne la commande sans capteur basée sur le filtre de Kalman étendu, il a été décidé de structurer les chapitres correspondants à travers la méthodologie de développement proposée. Ainsi, la phase de spécification préliminaire du système, la phase du développement de l'algorithme, la phase du développement de l'architecture FPGA et la phase d'expérimentation sont séparément traitées. Durant la phase d'expérimentation, la procédure «Hardware-In-the-Loop (HIL)» est incluse afin de valider le fonctionnement de l'architecture développée une fois la phase d'implantation physique achevée. / The aim of this thesis is to present the interest of using Field Programmable Gate Array (FPGA) devices for the implementation of complex AC drive controllers. The case of a sensorless speed controller using the Extended Kalman Filter (EKF) has been chosen and applied to a Salient Synchronous Machine (SSM). The d-q model based on the infinite inertia hypothesis has been implemented. The corresponding EKF order is then equal to 4 and the complexity of the whole sensorless controller is equal to 700 arithmetic operations (more than 53% of multiplications). The contribution of FPGAs in this field has been quantified in terms of control performances and in terms of system integration. In terms of control performances, the proposed FPGA-based solution ensures a short execution time which is around 5µs (5% of the sampling period). This treatment fastness ensures a quasi-instantaneous control which improves the control bandwidth. To this purpose, a comparison with a software DSP-based solution is made. The dynamic behavior and the influence of the execution time, in both cases, on the control bandwidth have been quantified. In terms of integration capacity, it is possible to implement a generic FPGA architecture that can be adapted to the control of several systems. Thus, it is possible to develop a common EKF architecture that is able to estimate variables from many systems without affecting the control performances.In addition, a design methodology adapted to such complex controllers has been proposed. The particularity of this updated methodology, compared to the previous ones ([62], [63]), is to provide an enlarged set of steps starting from the preliminary system specification to the ultimate experimentation. Optimization procedures have also been introduced. These optimizations are necessary in case of complex controllers and lead to the adequation between the developed algorithm and the corresponding hardware FPGA architecture. A state of the art FPGA technology is also presented. The internal structure of the recent devices and their corresponding technology are discussed. Their contribution in the field of AC drive applications is quantified. An in-depth presentation of the proposed design methodology is made.Besides, the development of a fully integrated FPGA-based controller for a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) associated with a Resolver sensor is presented. This controller has been developed in for an aircraft application where the main objective was to develop a fully integrated FPGA solution. The Actel Fusion FPGA device has been used. This device integrates an Analog to Digital Converter (ADC). The current controller, the Resolver Processing Unit (RPU) and the analog to digital conversion are implemented within the same device. When it comes to the sensorless controller, the corresponding chapters have been structured according to the presented design methodology: the preliminary system specification, the algorithm development, the FPGA architecture development and finally the experimentation. The latter includes Hardware-In-the-Loop (HIL) tests and the final experimental validation.

Dans cette thèse, nous explorons les diverses contributions que les systèmes multi-agents (SMA) et les architectures à base de composants (CBSA) peuvent mutuellement et complémentairement s'apporter l'un à l'autre. Dans un premier temps, nous définissons, illustrons, analysons et discutons une méthodologie du développement des SMA, un modèle de composants (SpeAD), un langage de description d'architecture (SpeADL) et une méthode de conception (SpEArAF) qui facilitent et guident la description et l'implémentation des SMA. Cette réponse complète au développement des SMA est assistée par un outil (MAY) et a été appliquée à un grand nombre d'applications. Dans un second temps, nous explorons à travers divers expériences l'aide que peuvent apporter les SMA auto-adaptatif aux CBSA. Les agents et leur réorganisation continuelle jouent à la fois le rôle de moteur de la construction et de l'adaptation dynamique de l'architecture, mais aussi du conteneur qui connecte ses éléments en pratique.

Grâce aux progrès de miniaturisation des systèmes embarqués, les mini-drones qu'on appelle en anglais Small Unmanned Aerial Vehicle (UAVs) sont apparus et permettent de réaliser des applications civiles à moindres coûts. Pour améliorer leurs performances sur des missions complexes (par exemple, pour contourner un obstacle), il est possible de déployer une flotte de drones coopératifs afin de partager les tâches entre les drones. Ce type d'opération exige un niveau élevé de coopération entre les drones et la station de contrôle. La communication entre les drones de la flotte est donc un enjeu important dans la réalisation des opérations d'une flotte de drones. Parmi les différentes architectures de communication qui existent, le réseau ad hoc s'avère être une solution efficace et prometteuse pour l'opération d'une flotte de drones. Un réseau ad hoc de drones ou UAV Ad hoc Network (UAANET) est un système autonome constitué d'une flotte de mini-drones et d'une ou plusieurs station(s) sol. Ce réseau peut être considéré comme une sous-catégorie d'un réseau ad hoc mobile (MANET) avec des caractéristiques spécifiques (vitesse importante des nœuds, modèle de mobilité spécifique, etc.) qui peuvent engendrer des baisses de performance du protocole de routage utilisé. Par ailleurs, la nature partagée du support de transmission et l'absence d'une infrastructure fixe pour vérifier l'authenticité des nœuds et des messages posent un problème de sécurité des communications. Compte tenu du caractère critique des données de charge utile échangées (en effet, un attaquant peut capturer un drone et l'utiliser à des fins malveillantes), il est important que les messages échangés soient authentifiés et qu'ils n'ont pas été modifiés ou retardés par un attaquant. L'authentification des messages est donc un des objectifs à atteindre pour garantir la sécurité du système Unmanned Aerial System (UAS) final. Diverses solutions de sécurité ont été conçues pour les réseaux sans fil, puis ont ensuite été adaptées aux réseaux MANET. Ces solutions peuvent s'étendre à des applications pour les réseaux UAANET, c'est pourquoi nous proposons dans cette thèse une architecture de communication fiable et sécurisée pour les flottes des drones. Dans ce travail, nous avons étudié en premier lieu l'application d'un réseau ad hoc mobile pour les flottes de drones. Nous examinons en particulier le comportement des protocoles de routage ad hoc existants dans un environnement UAANET. Ces solutions sont ainsi évaluées pour permettre d'identifier le protocole adéquat pour l'échange des données. Cela nous amène dans un deuxième temps, à proposer un protocole de routage intitulé Secure UAV Ad hoc routing Protocol (SUAP) qui garantit l'authentification des messages et détecte l'attaque wormhole. Cette attaque peut être définie comme un scénario dans lequel un attaquant enregistre les paquets en un point, et les rejoue à un autre point distant. L'attaque wormhole est particulièrement dangereuse lorsqu'un protocole de routage réactif (qui utilise le nombre de sauts comme métrique d'une route) est utilisé. Pour contrer cette attaque, le protocole SUAP permet d'une part d'assurer des services de livraison de donnés (une vidéo de télésurveillance) entre un drone distant et une station sol. D'autre part, le protocole SUAP possède également des partitions de sécurisation qui se basent sur une signature et une fonction de hachage pour assurer l'authentification et l'intégrité des messages. En ce qui concerne l'attaque wormhole, une technique qui consiste à corréler le nombre de sauts et la distance relative entre deux nœuds voisins est utilisée. Ce mécanisme permet de déduire la présence ou non d'un tunnel wormhole dans le réseau. En outre, cette architecture de communication est conçue avec une méthodologie de prototypage rapide avec l'utilisation d'une méthode orientée modèle pour tenir compte du besoin de validation du système UAS final. / Advances in miniaturization of embedded systems have helped to produce small Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with highly effective capacity. In order to improve their capability in civilian complex missions (for instance, to bypass an obstruction), it is now possible to deploy UAV swarms, in which cooperative UAVs share different tasks. This type of operations needs a high level of coordination between UAVs and Ground Control Station (GCS) through a frequent exchange of information. The communication capabilities are therefore an important objective to achieve for effective UAV swarm operations. Several communication architectures can be used to allow communication between UAVs and GCS. Ad hoc network is one of them and is an effective and promising solution for multi-UAV systems. Such a network is called UAANET (UAV Ad hoc Network) and is an autonomous system made of a UAV swarm and one or several GCS (Ground Control Station). This network can also be considered as a sub category of the well-known MANET (Mobile Ad hoc network). However, it has some specific features (such as node velocity, specific mobility model) that can impact performance of routing protocols. Furthermore, the nature of the wireless medium, along with the lack of fixed infrastructure, which is necessary to verify node and message authentication, create security breaches. Specifically, given the critical characteristic of the real-time data traffic, message authentication proves to be an important step to guarantee the security of the final UAS (composed of UAV swarm). Security of routing protocols has been widely investigated in wired networks and MANETs, but as far as we are aware, there is no previous research dealing with the security features of UAANET routing protocols. Those existing solutions can be adapted to meet UAANET requirements. With that in mind, in this thesis, we propose a secure and reliable communication architecture for a UAV swarm. In this work, the creation of UAANET has first been concieved. In order to do this, we studied the impact of existing MANET routing protocols into UAANET to assess their performance and to select the best performer as the core of our proposed secure routing protocol. Accordingly, we evaluated those existing routing protocols based on a realistic mobility model and realistic UAANET environment. Based on this first study, we created a secure routing protocol for UAANET called SUAP (Secure UAV Ad hoc routing Protocol). On the one hand, SUAP ensures routing services by finding routing paths between nodes to exchange real time traffic (remote monitoring video traffic). On the other hand, SUAP ensures message authentication and provides detection to avoid wormhole attack. The SUAP routing protocol is a reactive routing protocol using public key cryptography and hash chains. In order to detect wormhole attack, a geographical leash-based algorithm is used to estimate the correlation between the packet traveled distance and the hop count value. We also contribute to the certification of the secure communication system software through a Model-Driven Development (MDD) approach. This certification is needed to validate the operation of the UAV swarm, especially in cases where it is used to exchange control and command traffic. We used Simulink and Stateflow tools and formal verification tools of Matlab Software to design SUAP routing protocol. The evaluation of the effectiveness of SUAP has been executed both through emulation and real experiment studies. Our results show that SUAP ensures authentication and integrity security services and protects against a wormhole attack. It also provides an acceptable quality of service for real-time data exchanges.

La conception concourante de produits matériels centrée sur l'homme est basée sur une collaboration entre le concepteur mécanicien, l'ergonome et le designer industriel. Cette collaboration souvent difficile peut être facilitée par l'utilisation d'objets intermédiaires de conception, tels que la Réalité Virtuelle (RV). Néanmoins, bien que largement utilisée dans l'industrie, la RV souffre d'un déficit d'acceptation de la part des concepteurs de produits. Dans le cadre de ces travaux, nous proposons d'utiliser la RV sous la forme d'outils immersifs d'assistance à la convergence multidisciplinaire développés selon une démarche anthropocentrée en fonction des besoins spécifiques à chaque projet de conception de produits. Afin d'optimiser les délais de développement, nous proposons une méthodologie de conception d'applications immersive dédiée : la méthodologie ASAP(As Soon As Possible). Une première série expérimentale a été conduite dans le cadre de contrats industriels d'études et de recherche afin de valider la faisabilité de la méthodologie et l'efficacité des outils développés.Une deuxième série expérimentale a été effectuée sur plus de 50 sujets dans le cadre de projets, cette fois, pédagogiques qui ont nécessité le développement de 12 applications. Elle a permis de valider quantitativement l'influence des outils immersifs sur l'efficacité perçue des phases de convergence interdisciplinaires ainsi que l'influence de l'approche proposée sur l'acceptation de la RV par les concepteurs de produits. Ces travaux de thèse présentent une première approche qui, selon nous, permettra à terme, de faire évoluer l'usage de la RV vers une intégration plus forte au sein des processus de conception de produits avec, par exemple, une plus large utilisation des applications immersives de modélisation 3D, réelles sources d'innovation.