Analyse et conception de la fiabilité sont indispensables pour le processus de développement des systèmes mécatroniques. Toutefois, des outils puissants sont nécessaires en raison de la complexité croissante et de la cherté d'essai des systèmes mécatroniques. Cette complexité nous amène des difficultés de l'incertitude de modélisation et de la dépendance inconnus, tels que la dépendance fonctionnelle et temporelle. Pour faire face à une telle complexité, la fiabilité des outils d'analyse doivent être mathématiquement puissant, facile à utiliser et efficace de calcul.Les outils classiques ont une certaine quantité d'inconvénients lors de l'évaluation de la fiabilité au niveau du système. Par exemple, les méthodes basées sur la chaîne de Markov ont un problème infime d'explosion combinatoire et le formalisme de l'arbre de défaillance ne fonctionne que quand les composants sont indépendants les uns des autres. Bien que certaines extensions, comme les arbres de défaillance dynamiques, aient été faites pour pallier les lacunes, tous ne peuvent être traitées dans un cadre unique. Le formalisme des réseaux Bayésiens a été récemment considéré comme un outil prometteur de l'inférence statistique pour l'évaluation de fiabilité du système grâce à de nombreux avantages, tels que la capacité de modélisation de la dépendance incertaine, l'intégration de données provenant de diverses sources et les outils de raisonnement bien étudiés. D'autre part, la plus grande valeur ajoutée en mécatronique est en sous-système du contrôle et du traitement de l'information. Les ingénieurs se rendent compte que la conception de contrôleur d'un système dynamique ne peut pas négliger l'exigence de la fiabilité dynamique. Diverses incertitudes influencent non seulement les performances des contrôleurs, mais aussi la fiabilité. Cependant, peu de recherches ont examiné la fiabilité dynamique des contrôleurs.Dans cette recherche, nous avons étudié le formalisme des réseaux bayésiens et développé une méthode de l'évaluation de la fiabilité des systèmes mécatroniques complexes. Cette méthode étend l'analyse bayésienne sur les composants à celle sur les systèmes complexes et permet de considérer des incertitudes des paramètres des modèles asymétriques de temps à l'échec dans les systèmes complexes. Pour effectuer l'inférence dans notre modèle de réseau bayésien, nous avons développé un algorithme modifié de la propagation de croyances non-paramétrique qui est plus efficace dans le cas complexe par rapport à d'autres outils de raisonnement. Nous avons montré également comment effectuer l'analyse de sensibilité dans notre modèle de réseau bayésien qui a une structure non-déterministe.Un contrôleur linéaire dynamique-fiable a été conu pour le module de contrôle des systèmes mécatroniques. Nous avons établi un nouveau lien entre le probabilité de la défaillance du premier passage et les gains de rétroaction des contrôleurs, et obtenu une nouvelle contrainte dynamique de fiabilité pour les objectifs classiques. Le contrôleur linéaire dynamique-fiable est également étendu au formalisme de multiple-modèle pour que la réalisation d'un contrôleur dynamique-fiable soit applicable dans le cas nonlinéaire/non-gaussien. La performance du système peut encore être améliorée dans ce cadre en utilisant les méthodes de multiple-modèle plus avancées.Une grande quantité de résultats de simulation ont démontré que les méthodes développées ont été appliquées avec succès pour analyser et concevoir des systèmes de suspension active du véhicule et peuvent être appliquée à d'autres applications, telles que d'autres systèmes mécatroniques et systèmes de contrôle actif de construction. / Reliability analysis and design become indispensable for the development process of mechatronic systems. However, versatile tools are called for because of the increas•ing complexity and the testing expensiveness of mechatronic systems. Such complexity brings the difficulties of modeling uncertainty and unknown dependency, such as functional and temporal dependency. To deal with such complexity, reliability analysis tools need to be mathematically powerful, be easy to use and be computationally efficient.Conventional tools have a number of drawbacks when evaluating the reliability at system level. For instance, Markov chain based methods have a problem of infamous combinatorial explosion and fault trees formalism works under the assumption of component independency. Although sorne extensions, such as dynamic fault trees, have been made to make up for shortcomings, not all of them can be handled in one framework. Bayesian networks formalism is recently believed to be a promising statistical inference tool for system reliability assessment thanks to many advantages, such as the ability of modeling uncertain dependency, integrating data from diverse sources and the well-studied reasoning tools. On the other hand, the biggest value-added in mechatronics is in control/information processing subsystem. Engineers realize that the controller design of a dynamic system cannot neglect the dynamic reliability requirement. Various uncertainties influence not only the controller performance but also the reliability. However, little research has considered the dynamic reliability of controllers.In this research, we have investigated the Bayesian networks formalism and developed a new system reliability assessment method for complex mechatronic systems. This method extends Bayesian analysis on components to that on complex systems and allows to consider parameter uncertainties of various skewed time-to-failure models in complex systems. To perform the inference in our Bayesian network model, we developed a modified nonparametric beHef propagation which is more efficient in the complex case compared with other reasoning tools. We showed also how to perform the sensitivity analysis in our Bayesian network model that has a non-deterministic structure. A dynamic-reliable linear controller has been designed for the control module of mechatronic systems. We established a new link between the first-passage failure probability and controllers' feedback gains, and obtained a new dynamic-reliability constraint for classical objectives. The dynamic-reliable linear controller is also extended to the multiple model formalism for achieving a dynamic-reliable controller applicable to nonlinearjnon-Gaussian cases. The system performance can be further improved in this framework by using more advanced multiple model methods.A number of simulation results demonstrated that the developed methods have been successfully applied to analyze and design active vehicle suspension systems and can be applied to other applications, such as other mechatronic systems and active building control systems.

Cette thèse se focalise sur l’application d’une approche topologique pour la modélisation des systèmes mécatroniques. Cette approche permet de dissocier la topologie et la physique afin d’avoir un modèle unifié de représentation de toute la physique d’un système mécatronique. L’approche topologique développée est codée sous le langage MGS (Modèle Général de Système). Ce langage intègre de nouveaux types de valeurs appelées les collections topologiques. Les collections topologiques permettent la représentation de l'état d'un système dynamique et elles sont manipulées par des transformations. Dans cette approche, les collections topologiques sont utilisées pour présenter la topologie du système à étudier c’est à dire la loi d’interconnexion de ses différents composants et les transformations pour spécifier la loi de comportement locale de chacune de ces composantes. Cette approche topologique est appliquée tout d’abord aux structures de barres planes et spatiales et elle est généralisée par la suite aux structures de poutres planes et spatiales. Finalement, elle est étendue à la modélisation des systèmes mécaniques plus complexes en étudiant le cas des structures piézoélectriques (stack piézoélectrique et treillis piézoélectrique) et le cas d’un réducteur simple étage à denture droite. Étant donné les bons résultats obtenus, il serait intéressant d’étendre ce travail aux systèmes mécatroniques plus complexes en intégrant l’informatique et l’automatique. / This thesis focuses on the application of a topological approach for the modeling of mechatronic systems. This approach makes it possible to separate the topology and the physics in order to have a unified representation model for all the physics of mechatronic systems. The developed topological approach is coded in the MGS language (General System Model). This language includes new types of values called topological collections. Topological collections allow the representation of the state of a dynamic system and they are manipulated by transformations. In this approach, the topological collections are used to present the topology of the studied system that is to say the interconnection law of its components and transformations are used to specify the local behavior law of each of these components. First of all, this topological approach is applied to planar and space bar structures and then generalized to planar and space beam structures. Finally, it is extended to the modeling of complex mechanical systems by studying the case of piezoelectric structures (piezoelectric stack and piezoelectric truss structure) and the case of a single stage spur gear. Since this work achieved good reliable results, it would be interesting to extend this approach to more complex mechatronic systems by integrating computers and automatic.

Les systèmes modernes sont caractérisés par l’intégration de plusieurs composants de technologies diverses interagissant dans le but d’offrir de plus en plus de fonctionnalités aux utilisateurs. La complexité croissante dans ces systèmes pluridisciplinaires dits mécatroniques nécessite la mise en place de nouveaux processus, outils et méthodes pour la conception, l’analyse et la validation de ces derniers en respectant les contraintes de coût et de délais imposés par la concurrence. Ces systèmes doivent également satisfaire des contraintes de fiabilité et surtout de sûreté de fonctionnement. Seule une intégration du processus d’analyse de sûreté de fonctionnement tout au long du processus de développement peut assurer la satisfaction de ces contraintes de manière optimale.Les travaux de cette thèse ont pour objectif de contribuer à l’intégration des analyses de sûreté de fonctionnement dans le processus d’ingénierie système basée sur SysML afin de rendre ces analyses plus rapides et plus efficaces. Pour ce faire, nous avons traité les axes suivants : la formalisation d’une méthodologie de conception basée sur SysML et qui sera le support des analyses de sûreté de fonctionnement ; l’extension du langage SysML afin de pouvoir intégrer des spécificités des systèmes mécatroniques ainsi que des aspects de sûreté de fonctionnement dans le modèle système; l’exploration automatique des modèles SysML afin d’en extraire les données nécessaires pour l’élaboration des artefacts de la SdF et la génération (semi)/automatique de ces derniers (FMEA et FTA). Nous avons également intégré la vérification formelle d’exigences de sûreté de fonctionnement.Cette méthodologie nommée SafeSysE a été appliquée sur des cas d’étude du domaine de l’aéronautique : EMA (Electro-Mechenical Actuator) et WBS (Wheel Brake System). / Modern systems are getting more complex due to the integration of several interacting components with different technologies in order to offer more functionality to the final user. The increasing complexity in these multi-disciplinary systems, called mechatronic systems, requires new appropriate processes, tools and methodologies for their design, analysis and validation whilst remaining competitive with regards to cost and time-to-market constraints.The main objective of this thesis is to contribute to the integration of safety analysis in a SysML-based systems engineering approach in order to make it more efficient and faster. To achieve this purpose, we tackled the following axes: formalizing a SysML-based design methodology that will be the support for safety analyses; providing an extension of SysML in order to enable the integration of specific needs for mechatronic systems modeling as well as safety concepts in the system model; allowing the automated exploration of the SysML models in order to extract necessary information to elaborate safety artefacts (such as FMEA and FTA) and the semi-automated generation of the latters. We have also integrated formal verification to verify if the system behaviors satisfy some safety requirements.The proposed methodology named SafeSysE was applied to case studies from the aeronautics domain: EMA (Electro Mechanical Actuator) and WBS (Wheel Brake System).

This thesis presents a novel design paradigm of mobile robots: the Hybrid Mobile Robot system. It consists of a combination of parallel and serially connected links resulting in a hybrid mechanism that includes a mobile robot platform for locomotion and a manipulator arm for manipulation, both interchangeable functionally. All state-of-the-art mobile robots have a separate manipulator arm module attached on top of the mobile platform. The platform provides mobility and the arm provides manipulation. Unlike them, the new design has the ability to interchangeably provide locomotion and manipulation capability, both simultaneously. This was accomplished by integrating the locomotion platform and the manipulator arm as one entity rather than two separate and attached modules. The manipulator arm can be used as part of the locomotion platform and vice versa. This paradigm significantly enhances functionality. The new mechanical design was analyzed with a virtual prototype that was developed with MSC Adams Software. Simulations were used to study the robot’s enhanced mobility through animations of challenging tasks. Moreover, the simulations were used to select nominal robot parameters that would maximize the arm’s payload capacity, and provide for locomotion over unstructured terrains and obstacles, such as stairs, ditches and ramps. The hybrid mobile robot also includes a new control architecture based on embedded on-board wireless communication network between the robot’s links and modules such as the actuators and sensors. This results in a modular control architecture since no cable connections are used between the actuators and sensors in each of the robot links. This approach increases the functionality of the mobile robot also by providing continuous rotation of each link constituting the robot. The hybrid mobile robot’s novel locomotion and manipulation capabilities were successfully experimented using a complete physical prototype. The experiments provided test results that support the hypothesis on the qualitative and quantitative performance of the mobile robot in terms of its superior mobility, manipulation, dexterity, and ability to perform very challenging tasks. The robot was tested on an obstacle course consisting of various test rigs including man–made and natural obstructions that represent the natural environments the robot is expected to operate on.

This thesis presents a novel design paradigm of mobile robots: the Hybrid Mobile Robot system. It consists of a combination of parallel and serially connected links resulting in a hybrid mechanism that includes a mobile robot platform for locomotion and a manipulator arm for manipulation, both interchangeable functionally. All state-of-the-art mobile robots have a separate manipulator arm module attached on top of the mobile platform. The platform provides mobility and the arm provides manipulation. Unlike them, the new design has the ability to interchangeably provide locomotion and manipulation capability, both simultaneously. This was accomplished by integrating the locomotion platform and the manipulator arm as one entity rather than two separate and attached modules. The manipulator arm can be used as part of the locomotion platform and vice versa. This paradigm significantly enhances functionality. The new mechanical design was analyzed with a virtual prototype that was developed with MSC Adams Software. Simulations were used to study the robot’s enhanced mobility through animations of challenging tasks. Moreover, the simulations were used to select nominal robot parameters that would maximize the arm’s payload capacity, and provide for locomotion over unstructured terrains and obstacles, such as stairs, ditches and ramps. The hybrid mobile robot also includes a new control architecture based on embedded on-board wireless communication network between the robot’s links and modules such as the actuators and sensors. This results in a modular control architecture since no cable connections are used between the actuators and sensors in each of the robot links. This approach increases the functionality of the mobile robot also by providing continuous rotation of each link constituting the robot. The hybrid mobile robot’s novel locomotion and manipulation capabilities were successfully experimented using a complete physical prototype. The experiments provided test results that support the hypothesis on the qualitative and quantitative performance of the mobile robot in terms of its superior mobility, manipulation, dexterity, and ability to perform very challenging tasks. The robot was tested on an obstacle course consisting of various test rigs including man–made and natural obstructions that represent the natural environments the robot is expected to operate on.

De nos jours, les entreprises doivent faire face à une situation économique de plus en plus concurrentielle qui les oblige à développer de plus en plus rapidement des produits de plus en plus complexes. C’est dans ce contexte que sont apparus les systèmes mécatroniques, fruits de l’intégration de technologies issues de la mécanique, l’électronique, l’informatique et l’automatique. Ces systèmes mécatroniques sont particulièrement complexes à concevoir pour les bureaux d’étude en raison des niveaux d’intégration fonctionnelle et techniques, nécessitant une forte coordination entre les différents ingénieurs, de différentes disciplines. Il est par conséquent nécessaire de fournir aux concepteurs de nouveaux outils permettant de mieux concevoir, de manière plus efficace, des produits mécatroniques, optimisés tant du point de vue fonctionnel que performanciel. La thèse présentée dans ce mémoire vise à proposer aux concepteurs des outils permettant de concevoir des architectures mécatronique et de les optimiser, dans les phases amont du processus de conception (conception architecturale). Nous présentons dans un premier temps notre démarche de conception globale, comprenant quatre niveaux de conception et permettant, en détaillant progressivement les architectures mécatroniques dans les différents niveaux, de construire plusieurs architectures permettant de répondre à un besoin client, tout en satisfaisant aux normes et législations en vigueur. Dans un deuxième temps, nous proposons une démarche d’optimisation permettant d’employer des techniques d’optimisation combinatoire afin d’automatiser une partie du processus de conception architecturale, en particulier la phase visant à construire les architectures produits à partir d’un ensemble de principes de solution ou de solutions techniques. Nous montrons enfin dans un troisième temps l’application des étapes de notre démarche globale, ainsi que de notre démarche d’optimisation combinatoire, afin de résoudre un problème visant à développer une éolienne de moyenne puissance pour l’alimentation d’un gîte de montagne. / Nowadays, industries should face a more and more competitive economic situation that forces them to faster develop increasingly complex products. This is in this context that appeared mechatronic systems, the fruit of the integration of technologies from mechanical, electrical, computer and control engineering. These mechatronic systems are particularly complex to design for R&D designers as they require strong coordination between the engineers from different specialities to reach the required levels of functional and technical integration. It is therefore necessary to provide new design tools and approaches to better and more efficiently design mechatronic products and optimize their functionalities as well as their performance. The thesis presented in this manuscript aims to provide design approaches to the designers to design and optimize mechatronic architectures from the early design phases (embodiment design). We first present our global design approach, with four design levels to build and gradually detail mechatronic architectures to meet customer needs as well as the standards and legislation. Secondly, we propose an combinatorial optimization-based approach to computerize some parts of the architectural design process, especially the phase where architectures are built from a set solution of principles or technical solutions. We finally show how the design and optimization approaches have been applied to solve a design problem aiming to develop a medium power wind turbine for supplying a mountain cottage.

Les travaux présentés dans ce mémoire proposent une méthode originale de génération automatique de tests à partir de modèles SysML pour la validation de systèmes embarqués. Un sous-ensemble du langage SysML (appelé SysML4MBT) regroupant les éléments de modélisation pris en compte dans notre approche a été défini et une stratégie de génération de tests dédiée (intitulée ComCover) a été créée. Cette stratégie, basée sur les principes du critère de couverture de modèles bien connu Def-Use, s'intéresse à la couverture des communications (envois / réceptions) au sein du système et entre le système et son environnement.La mise en œuvre opérationnelle d'un prototype, basé sur un générateur de tests à partir de modèle UML, a nécessité la définition de règles de réécriture permettant la transformation du modèle SysML4MBT vers le format d'entrée natif du générateur de tests tout en conservant l'expressivité de SysML4MBT. Finalement, les étapes de concrétisation des tests en scripts exécutables et l'établissement automatique du verdict lors de l'exécution sur banc de test définis durant le projet VETESS permettent l'établissement d'une chaîne outillée opérationnelle de génération et d'exécution automatique de tests à partir de spécifications SysML. Cette chaîne outillée a été étrennée sur plusieurs cas d'étude automobile tels que l'éclairage avant, les essuie-glaces ou la colonne de direction de véhicule. Sur ce dernier exemple, nous avons eu l'opportunité d'exécuter les tests sur un banc de test physique. Ces cas d'étude ont permis de valider chacune des étapes de l'approche proposée. / The work introduced in this thesis is in line with an original SysML Model-Based Testing approach to validate automotive mechatronic systems. A subset of SysML notation (called SysML4MBT) supported to express the test model is defined and a dedicated test generation strategy (called ComCover) is created. This strategy, based on the well-known Def-Use criteria, deals with the coverage of communications (sends / receives) inside the system and between the system and its environment.The development of an operational prototype, based on a UML-based test generator, has required the definition of rewriting rules to derive the input model of the UML test generator from the SysML4MBT model, by preserving the SysML4MBT expressivity.Finally, the concretization of tests in executable scripts and the assignment of a verdict by executing tests on test bench defined during the VETESS project, complete the operational toolchain that allows tests generation and execution from SysML models.This toolchain has been tried out on several automotive case studies as front lightings, wiper or steering column. Concerning this last experimentation, we have had the opportunity to execute test on a physical test bench. These case studies allow validating each step of the proposed approach.

This theses deals with mechatronic approach to a vehicle dynamics. It is divided into two main parts. There are prepared vibration analysis, measurement and analysis of functions of truck powertrain in the first part. The second part describes the creation of computational models allowing to simulate driving conditions, vibrations of the vehicle and its extension for the development of mechatronic systems. There are shown different driving modes to control created algorithm of mechatronic system. The main tool for the development of mechatronic systems is the created simulator of vehicle enabling testing of computational models in real time.

Cette thèse a pour objectif le développement d’une méthode de pré-dimensionnement des systèmes mécatroniques prenant en compte l’aspect vibratoire sans passer par des techniques de conception coûteuses en temps de calculs et de mise en œuvre, telles que la CAO 3D et la méthode des éléments finis.Dans la phase amont de choix d’architecture du processus de conception des systèmes mécatroniques, des modèles analytiques simples sont nécessaires à l’architecte du système mécatronique afin de lui permettre de faire des choix d‘architecture prenant en compte les contraintes multi-physiques, notamment les vibrations. Dans ce but, une bibliothèque de modèles analytiques d’éléments mécaniques flexibles simples a été développée dans cette thèse en utilisant le langage de modélisation Modelica.Pour démontrer les possibilités de cette approche, une étude des réponses vibratoires de certains systèmes mécatroniques a été réalisée. Cette approche de pré-dimensionnement a ainsi été appliquée dans un premier temps à un système mécatronique simple formé d’une plaque rectangulaire supportant des composants tels que des moteurs et des cartes électroniques, puis dans un second temps à une éolienne représentant un système mécatronique complet.Les résultats obtenus lors des simulations ont été comparés avec ceux obtenus par la méthode des éléments finis ainsi qu’avec les résultats d’études présentes dans la littérature scientifique. Ces simulations nous ont permis de prouver que les modèles compacts développés fournissent à l’architecte du système mécatronique des résultats très précis avec un besoin en ressources informatiques faibles. / This thesis focuses on the development of a method for the preliminary design of mechatronic systems, taking into account the vibratory aspect, without going through costly design techniques, such as 3D CAD and finite element method.In an early stage of the design process of mechatronic systems, simple analytical models are necessary to the architect engineer in Mechatronics, for important conceptual decisions related to multi-physics coupling and vibration. For this purpose, a library of flexible elements, based on analytical models, was developed in this thesis, using the Modelica modeling language.To demonstrate the possibilities of this approach, we conducted a study of the vibration response of some mechatronic systems. Therefore, the pre-sizing approach was applied in a first phase to a simple mechatronic system, formed with a rectangular plate supporting electrical components such as electric motors and electronic cards, and in a second phase the approach was applied to a wind turbine, considered as a complete mechatronic system. Simulation results were compared with the finite elements method and other studies found in the scientific literature. Simulation results have enabled us to prove that the developed compact models assist the mechatronic architect to find results of simulation with an important accuracy and a low computational cost.

La conception d’un système mécatronique est un problème d’optimisation multidisciplinaire et multi-objectif. Les approches d’optimisation actuellement utilisées, pour l’optimisation des systèmes multidisciplinaires, sont coûteuses en temps de calcul, difficiles à mettre en œuvre et non flexibles avec la phase de conception préliminaire, où les objectifs et les contraintes de conception changent fréquemment. D’où la nécessité de chercher une nouvelle technique plus simples à mettre en œuvre, moins coûteuse et qui permet d’adapter dynamiquement une solution suite à un changement des spécifications. C’est dans ce contexte que cette thèse se focalise sur le développement d’une approche multi-agents de conception qui, se basant sur les connaissances disciplinaires et par un comportement coopératif, permet de trouver collectivement une solution optimale qui satisfait les contraintes et les performances demandées.L'approche proposée est basée sur un processus de conception pour faciliter la conception collaborative distribué des systèmes mécatroniques. Cette approche est appliquée à la conception préliminaire d'un véhicule électrique pour illustrer comment l'utilisation du paradigme multi-agent aide les concepteurs à prendre des décisions efficaces et de parvenir à une décision optimale de l'ensemble du problème. Une étude comparative avec les méthodes classiques d'optimisation est faite afin de démontrer la validité et l'efficacité de l’approche proposée. / The design of a mechatronic system is a multidisciplinary and multi-objective optimization problem. Optimization approaches currently used for the optimization of multidisciplinary systems are expensive in computation time, difficult to implement, and inflexible with the preliminary design phase, in which the objectives and design constraints change frequently. It is therefore necessary to look for new techniques easier to implement and less expensive, that enable to adapt dynamically a solution due to a change in specifications. In this context that this thesis focuses on the development of a multi-agent design approach, based on disciplinary knowledge and cooperative behavior; make possible to collectively find an optimal solution that satisfies the required constraints and performance.The proposed approach is based on a design process to facilitate collaborative distributed design of mechatronic systems. This approach is applied to the preliminary design of an electric vehicle to illustrate how the use of the multi-agent paradigm helps designers in making effective decisions and to achieve an optimal decision of the overall problem. A comparative study with traditional optimization methods is made to demonstrate the validity and effectiveness of the proposed approach.