L'utilisation d'ondelettes et d'outils d'analyse fractale est appropriée à l'analyse des signaux irreguliers. On pense que la caractérisation de la régularité locale est importante dans la description de ces signaux. Pour étudier la régularité, on utilise l'exposant de Hölder autour duquel plusieurs outils sont développés. Premièrement, on décrit et on compare des techniques permettant d'estimer cet exposant. Puis nous présentons une méthode d'interpolation de points basée sur la conservation de la régularité Hölderienne. Pour conclure la partie sur l'analyse Hölderienne, de nouvelles méthodes de débruitage avec contrôle de la régularité sont exposées. Ces méthodes, à base d'ondelettes, présentent des taux de convergence asymptotique similaires aux méthodes les plus performantes. Les divers outils développés peuvent être appliqués aux signaux 1D ainsi qu'aux images. Plus particulièrement, dans la deuxième partie de la thèse, on s'intéresse à des profils routiers afin de mieux modéliser le frottement pneumatique-chaussée. Ce travail entre dans le cadre de l'O.R. Adhérence du LCPC, qui a pour but de quantifier le rôle des aspérités de dimensions micrométrique à centimétrique, formant la texture des surfaces de chaussée, dans la génération du frottement. Dans cette partie, nous présentons les travaux menés aux LCPC sur la technique d'indenteur et sa combinaison au modèle de frottement de Stefani. Ensuite on démontre la fractalité des profils routiers puis l'apport des techniques d'interpolation Hölderienne et de débruitage multifractal sur le calcul du frottement. Enfin un modèle multi-echelle de frottement, provenant d'un raffinement du modèle de Stefani, est explicité.

Les enjeux médicaux et le contexte socio-économique des maladies respiratoires ont une importance majeure à l'échelle mondiale. Parmi les procédures mini-invasives classiques de traitement des maladies respiratoires, l'aérosolthérapie se distingue par sa capacité d'administrer des médicaments pour les pathologies locales, directement dans les voies respiratoires, comme les sinus ou l'arbre trachéaux-bronchique. Dans ce contexte, l'utilisation de nanoparticules à visée pulmonaire est objet de grandes avancées en aérosolthérapie car les aérosols nanométriques ont la capacité de contourner les obstacles dans les voies aériennes supérieures et se déposer dans le poumon profond, renforçant ainsi la performance thérapeutique et diagnostique de ces aérosols. Afin de contribuer à l'évolution des traitements par aérosolthérapie cette thèse s'est orientée vers le développement des nouvelles techniques de génération d'aérosols nanométriques et submicroniques, capables de cibler des régions spécifiques de l'appareil respiratoire d'un patient. La problématique majeure à être confrontée dans ce contexte est donc l'adaptation de la taille des particules de l'aérosol afin de promouvoir un dépôt ciblé chez le patient. Pour cela il est d'abord nécessaire d'avoir une large gamme de tailles d'aérosols, de micronique à nanométrique, puis déterminer la relation entre la taille des particules et leur site de dépôt dans les voies respiratoires. De ce fait, les objectifs principaux de cette thèse sont la caractérisation métrologique et l'évaluation des performances des aérosols nanométriques en termes de cartographie de dépôt. Les résultats obtenus ont démontré qu'il est possible de générer efficacement des aérosols submicroniques et nanométriques soit solides soit liquides. Les aérosols contenant une plus grande quantité de nanoparticules ont montré un dépôt plus important dans les poumons, ce qui contribue au développement des techniques d'administration de médicaments par aérosolthérapies ainsi que pour des études toxicologiques.

Ce travail présente une étude théorique et expérimentale portant sur le concept de Moteur Hybride Pneumatique ( MHP). En première approche, un modèle 0D d'un MHP monocylindre, incluant un sous-modèle cinématique original pour l'actuateur entièrement variable muant la soupape de charge, est présenté puis exploité. La modélisation 1D de la dynamique des gaz dans chaque tubulure est traitée, incluant différents modèles de Condition Limite de Soupape (CLS), basées sur la méthode des caractéristiques et issues de la littérature. Il est montré que ces CLS ne sont pas adaptées à la modélisation d'un MHP : existence de chocs numériques, problème de non-convergence et mise en défaut face à des relevés expérimentaux. Un modèle original de CLS, évitant ces problèmes et demeurant basé sur la méthode des caractéristiques, est alors développé puis validé expérimentalement à la foi sur bancs d'essais moteurs et de dynamique des gaz à la soupape. Une étude expérimentale des échanges de chaleur convectifs, en mode pneumatique et sans combustion, est conduite et débouche alors sur une modification nécessaire de la corrélation standard de Woschni, afin de correctement décrire l'extinction du mouvement de tumble en fin de course de compression. Une exploitation de la plate-forme de simulation 1D de MHP monocylindre, incluant l'ensemble des éléments développés, est finalement conduite afin de déterminer les phasages optimums d'ouverture et de fermeture de la soupape de charge, pour différents mode et conditions opératoires. Cette étude, nécessaire à de futures simulations de cycles routier, confirme d'une part, la viabilité du concept et d'autre part, montre l'importance que revêt la prise en compte de la cinématique de l'actuateur soupape et de la dynamique des gaz dans la tubulure de charge.

Cette thèse, collaboration entre Michelin et l'ONERA, propose de mettre en œuvre des simulations instationnaires URANS grâce au code Navier-Stokes elsA de l'ONERA en vue d'analyser l'écoulement complexe 3D instationnaire se développant au voisinage des roues d'un véhicule et d'identifier les mécanismes à l'origine de la production de traînée. En effet, les roues (jantes et pneumatiques) constituent un nouvel axe de recherche prometteur en aérodynamique automobile car on estime de 20% à 40% la contribution des roues et passages de roues à la traînée totale. Cependant, leur optimisation nécessite en premier lieu une compréhension complète des phénomènes aérodynamiques mis en jeu. Les analyses spatio-temporelles menées sur roue isolée et sur véhicule pour trois types de pneumatiques (lisse, rugueux, avec sillons) apportent de nouveaux éléments de compréhension sur la physique de l'écoulement. Ce travail répond notamment aux limites principales des études précédentes grâce à la description de l'écoulement sur des géométries de référence incluant des pneumatiques déformés lisses et grâce à l'étude de l'instationnarité. Les analyses spatiales permettent de décrire l'organisation des structures tourbillonnaires sur roue isolée puis autour des roues avant et arrière d'un véhicule simplifié. Les analyses temporelles facilitent quant à elles la compréhension de la dynamique de l'écoulement par la mise en évidence de la génération des tourbillons et des mécanismes d'interaction avec la carrosserie. Des validations expérimentales sont effectuées à la fois sur roue isolée et sur véhicule en soufflerie. Enfin, l'utilisation de plusieurs types de pneumatiques démontre leur capacité à modifier les caractéristiques spatio-temporelles de l'ensemble de l'écoulement et à jouer ainsi sur la puissance dissipée par le véhicule via la traînée et le moment de rotation des roues.

Les systèmes actifs d'aide à la conduite des véhicules automobiles ont besoin d'informations sur l'état du véhicule pour construire des stratégies de contrôle efficaces. L'objectif de cette thèse est de développer des observateurs à entrées inconnues qui permettent d'estimer différentes variables liées à l'état du véhicule et de son environnement. Après avoir présenté différentes modélisations du véhicule, différents observateurs d'état à entrées inconnues de systèmes linéaires et non linéaires sont exposés afin d'estimer des variables explicatives de la dynamique du véhicule.

La commande des actionneurs électropneumatiques a été un sujet largement traité au cours des dernières décennies. Le caractère fortement non-linéaire de son comportement en a fait un cas d'étude particulièrement pertinent dans le cadre d'une démarche d'application de la théorie de la commande des systèmes non-linéaires. L'utilisation de ces techniques a été comparée aux approches linéaires traditionnelles et généralement jugée largement supérieure notamment en termes de précision ou de temps de réponse. Dans ce manuscrit nous abordons très spécifiquement l'aspect multivariable du système et introduisons la transformée A-T, similaire à la transformée de Park appliquée classiquement aux systèmes électriques, afin de donner une forme strict feedback à son modèle d'état, de clarifier les phénomènes physiques mis en jeu lors de sa commande et de distinguer les deux degrés de liberté du système. Cette transformée permet en outre une comparaison directe avec les moteurs électriques décrits dans le repère de Park. Ce parallèle rend notamment possible la solution du problème délicat de l'observation de la position à vitesse nulle en transférant des méthodologies déjà validées sur des systèmes électriques. L'exploitation des deux degrés de liberté est illustrée par la synthèse de lois de commande combinant le suivi d'une trajectoire de position du piston au respect d'un second critère variable (réglage de la pressurisation moyenne, optimisation de la consommation instantanée). L'utilisation d'un actionneur électropneumatique asservi comme actionneur à compliance variable est étudiée. Une loi de commande basée sur la transformée A-T est proposée pour contrôler simultanément la position et la raideur pneumatique de l'actionneur. Une méthodologie de réglage des gains de commande est proposée pour définir l'impédance en boucle fermée du système. L'influence de la raideur pneumatique sur la raideur en boucle fermée est étudiée. L'utilisation d'une source d'énergie alternative (de l'hélium sous pression) est également pour la première fois mise en œuvre. L'influence du changement de gaz sur le dimensionnement de l'actionneur électropneumatique est étudiée et une méthodologie permettant d'utiliser les lois de commande prévues pour de l'air est proposée. L'ensemble des propositions faites dans ce manuscrit est testée et validée sur un banc d'essais à la structure inédite. Ce dernier allie deux actionneurs, l'un électropneumatique (l'actionneur étudié) et l'autre, un moteur plat électrique (l'actionneur de charge). L'utilisation de celui-ci permet la génération d'efforts perturbateurs dans une large bande passante ainsi que la modification en temps réel des paramètres mécaniques dynamiques de la charge.

L’aérosolthérapie a pour objectif de délivrer un médicament dans les voies respiratoires. Le nébuliseur pneumatique est un dispositif permettant de générer des gouttelettes de liquide de diamètre micrométrique. Son processus d’atomisation a cependant été peu analysé. Ainsi, les performances du nébuliseur, caractérisées par le diamètre des gouttes et la masse de médicament inhalable par le patient, et atteignent un palier. Notre travail consiste à utiliser un modèle numérique diphasique en 3D basé sur une géométrie donnée et paramétré sous ANSYS Fluent. Plusieurs méthodes sont utilisées pour caractériser expérimentalement la génération de l’aérosol : l’ombroscopie, la diffractométrie laser et l’anémométrie phase Doppler. Notre modèle est validé par rapport aux données expérimentales et peut donc être exploité pour analyser les processus de génération. L’influence de plusieurs paramètres physiques sur les caractéristiques de l’aérosol produit est étudiée. Ainsi, l’étape de génération de gouttelettes est optimisée pour le développement d’un nouveau nébuliseur. Le transport des gouttes aux poumons du patient est optimisé empiriquement. / The purpose of aerosol therapy is to deliver drugs into respiratory airways. The jet nebulizer is a device used to generate liquid droplets with a diameter lower than 5 μm. However its atomization process was not much analyzed. Nebulizer performances, which are characterized with droplet size and drug mass inhaled by the patient, are empirically optimized and have reached a plateau. Our work consists in setting a 3D diphasic numerical model on ANSYS Fluent, based on a given geometry. Several methods are used to experimentally characterize aerosol generation: shadowgraphy, laser diffractometry and phase Doppler anemometry. Our model is validated by experimental data and helps predicting generation processes. The influence of several geometric and physical parameters on the output is studied. From these data, droplet generation is optimized for the development of a new nebulizer. Droplet transport to the patient lungs is empirically optimized.

Cette thèse porte sur l’évaluation de plusieurs stratégies de gestion d’énergie pour un nouveau concept de moteur hybride pneumatique. Ce concept combine un moteur à combustion interne avec un système de stockage d’énergie sous forme d’air comprimée. Une soupape supplémentaire relie alors la chambre de combustion à un réservoir d’air et permet un fonctionnement en mode moteur pneumatique ou pompe pneumatique (récupératif). La première stratégie, Causale, est basée sur des principes heuristiques. La deuxième, à Coefficient de Pénalité Constant, vise la minimisation d’un critère énergétique global. Un coefficient de pondération permet de mettre en opposition, pour un travail donné, les coûts énergétiques d’un mode pneumatique d’une part et d’un mode thermique d’autre part. Le mode offrant le coût le plus faible sera choisi. La troisième stratégie, à Coefficient de Pénalité Variable, sur le même principe utilise un coefficient de pondération variable selon la quantité d’énergie pneumatique disponible. Une stratégie, à reconnaissance de situation de conduite, permet d’adapter les stratégies à la situation reconnue (par exemple, embouteillage, autoroutier). Enfin, la dernière stratégie tente de recopier la solution optimale de référence (obtenue par programmation dynamique) à l’aide d’un modèle. Toutes les stratégies ont été validées en simulation sur cycles standards. De plus une méthode, basée sur les chaînes de Markov, de constructions de cycle de conduite « artificiels » mais réalistes est proposée. Les consommations obtenues avec les différentes stratégies proposées sont comparées en référence aux consommations minimales atteignables. Les résultats montrent que 40% de gain de consommation peuvent être atteints. / This thesis presents a study of several energy management strategies for a novel hybrid pneumatic engine concept. The concept combines an internal combustion engine with a system of compressed air for energy storage. An additional charge valve connects the combustion chamber to an air pressure tank, enabling the engine to function in pneumatic motor mode or as a pneumatic pump (recuperation mode). The first strategy is called Causal and implements a rule-based control technique. The second one, called Constant Penalty Coefficient, is derived from optimal control theory and is based on an equivalent consumption minimization strategy. A penalty coefficient is introduced to evaluate, for a given torque demand, the respective energy costs of the two modes, pneumatic and conventional, enabling the mode offering the lowest cost to be chosen. The third strategy, called Variable Penalty Coefficient, is based on the same principle but uses a variable penalty coefficient depending on the amount of pneumatic energy available in the compressed air tank. Another strategy investigated, called Driving Pattern Recognition, adapts the strategies to the driving situation recognized (for example, traffic jam, or highway). The last strategy studied attempts to reproduce the optimal reference solution obtained by dynamic programming, using a neural mode. All the strategies have been validated by simulation on standard driving cycles. In addition, a method based on the Markov chain process have been develop to make ‘artificial’ yet realistic driving cycles. The consumptions obtained with the various strategies are compared with the minimal consumptions achievable. Results demonstrate that 40% of fuel saving can be achieved on certain cycles. Several of the strategies proposed give results that are close to optimal.

Cette thèse, collaboration entre Michelin et l’ONERA, propose de mettre en œuvre des simulations instationnaires URANS grâce au code Navier-Stokes elsA de l’ONERA en vue d’analyser l’écoulement complexe 3D instationnaire se développant au voisinage des roues d'un véhicule et d’identifier les mécanismes à l’origine de la production de traînée.En effet, les roues (jantes et pneumatiques) constituent un nouvel axe de recherche prometteur en aérodynamique automobile car on estime de 20% à 40% la contribution des roues et passages de roues à la traînée totale. Cependant, leur optimisation nécessite en premier lieu une compréhension complète des phénomènes aérodynamiques mis en jeu. Les analyses spatio-temporelles menées sur roue isolée et sur véhicule pour trois types de pneumatiques (lisse, rugueux, avec sillons) apportent de nouveaux éléments de compréhension sur la physique de l’écoulement. Ce travail répond notamment aux limites principales des études précédentes grâce à la description de l'écoulement sur des géométries de référence incluant des pneumatiques déformés lisses et grâce à l’étude de l’instationnarité. Les analyses spatiales permettent de décrire l’organisation des structures tourbillonnaires sur roue isolée puis autour des roues avant et arrière d’un véhicule simplifié. Les analyses temporelles facilitent quant à elles la compréhension de la dynamique de l’écoulement par la mise en évidence de la génération des tourbillons et des mécanismes d’interaction avec la carrosserie. Des validations expérimentales sont effectuées à la fois sur roue isolée et sur véhicule en soufflerie. Enfin, l’utilisation de plusieurs types de pneumatiques démontre leur capacité à modifier les caractéristiques spatio-temporelles de l’ensemble de l’écoulement et à jouer ainsi sur la puissance dissipée par le véhicule via la traînée et le moment de rotation des roues. / As a collaborative task between Michelin and ONERA, this thesis aims to investigate the complex unsteady 3D flow around car wheels and to identify the mechanisms of drag production linked to this part of the car thanks to URANS unsteady numerical simulations using ONERA’s Navier-Stokes code elsA. The wheels (i.e. rims and tyres) are indeed a promising research topic in the field of car aerodynamics. The part of the total drag due to the wheels and wheelhouses is indeed estimated between 20% and 40%. The first step towards wheel optimisation is to achieve full understanding of the aerodynamic phenomena produced around them. The analysis of the flow for three types of tyres (smooth, rough, grooved), both around isolated wheels and around a simplified vehicle, brings further understanding of the flow physics. This work completes previous studies in this field thanks to the description of basic flows around smooth wheels and the study of unsteady effects. It describes the arrangement of vortical structures around an isolated wheel and around the front and rear wheels of a simplified vehicle. Moreover, the analysis of the flow unsteadiness facilitates understanding of the flow dynamics by highlighting the generation of the main vortices and the interaction phenomena with the car body. The validation of numerical models is performed with specific experiments by Michelin on both an isolated wheel and a vehicle configuration. Finally, the use of different tyres shows their ability to modify both space and time characteristics of the whole flow, thus modifying the power dissipated by the car drag and the rotation moment of the wheels.

Le développement des systèmes intelligents pour contrôler la stabilité du véhicule et éviter les accidents routier est au cœur de la recherche automobile. L'expansion de ces systèmes intelligents à l'application réelle exige une estimation précise de la dynamique du véhicule dans des environnements diverses (dévers et pente). Cette exigence implique principalement trois problèmes : ⅰ), extraire des informations non mesurées à partir des capteurs faible coût; ⅱ), rester robuste et précis face aux les perturbations incertaines causées par les erreurs de mesure ou de la méconnaissance de l'environnement; ⅲ), estimer l'état du véhicule et prévoir le risque d'accident en temps réel. L’originalité de cette thèse par rapport à l’existant, consiste dans le développement des nouveaux algorithmes, basés sur des nouveaux modèles du véhicule et des différentes techniques d'observation d'état, pour estimer des variables ou des paramètres incertains de la dynamique du véhicule en temps réel. La première étape de notre étude est le développement de nouveaux modèles pour mieux décrire le comportement du véhicule dans des différentes situations. Pour minimiser les erreurs de modèle, un système d'estimation composé de quatre observateurs est proposé pour estimer les forces verticales, longitudinales et latérales par pneu, ainsi que l'angle de dérive. Trois techniques d'observation non linéaires (EKF, UKF et PF) sont appliquées pour tenir compte des non-linéarités du modèle. Pour valider la performance de nos observateurs, nous avons implémenté en C++ des modules temps-réel qui, embarqué sur le véhicule, estiment la dynamique du véhicule pendant le mouvement. / Enhancing road safety by developing active safety system is the general purpose of this thesis. A challenging task in the development of active safety system is to get accurate information about immeasurable vehicle dynamics states. More specifically, we need to estimate the vertical load, the lateral frictional force and longitudinal frictional force at each wheel, and also the sideslip angle at center of gravity. These states are the key parameters that could optimize the control of vehicle's stability. The estimation of vertical load at each tire enables the evaluation of the risk of rollover. Estimation of tire lateral forces could help the control system reduce the lateral slip and prevent the situation like spinning and drift out. Tire longitudinal forces can also greatly influence the performance of vehicle. The sideslip angle is one of the most important parameter to control the lateral dynamics of vehicle. However, in the current market, very few safety systems are based on tire forces, due to the lack of cost-effective method to get these information. For all the above reasons, we would like to develop a perception system to monitor these vehicle dynamics states by using only low-cost sensor. In order to achieve this objective, we propose to develop novel observers to estimate unmeasured states. However, construction of an observer which could provide satisfactory performance at all condition is never simple. It requires : 1, accurate and efficient models; 2, a robust estimation algorithm; 3, considering the parameter variation and sensor errors. As motivated by these requirements, this dissertation is organized to present our contribution in three aspects : vehicle dynamics modelization, observer design and adaptive estimation. In the aspect of modeling, we propose several new models to describe vehicle dynamics. The existent models are obtained by simplifying the vehicle motion as a planar motion. In the proposed models, we described the vehicle motion as a 3D motion and considered the effects of road inclination. Then for the vertical dynamics, we propose to incorporate the suspension deflection to calculate the transfer of vertical load. For the lateral dynamics, we propose the model of transfer of lateral forces to describe the interaction between left wheel and right wheel. With this new model, the lateral force at each tire can be calculated without sideslip angle. Similarly, for longitudinal dynamics, we also propose the model of transfer of longitudinal forces to calculate the longitudinal force at each tire. In the aspect of observer design, we propose a novel observation system, which is consisted of four individual observers connected in a cascaded way. The four observers are developed for the estimation of vertical tire force, lateral tire force and longitudinal tire force and sideslip angle respectively. For the linear system, the Kalman filter is employed. While for the nonlinear system, the EKF, UKF and PF are applied to minimize the estimation errors. In the aspect of adaptive estimation, we propose the algorithms to improve sensor measurement and estimate vehicle parameters in order to stay robust in presence of parameter variation and sensor errors. Furthermore, we also propose to incorporate the digital map to enhance the estimation accuracy. The utilization of digital map could also enable the prediction of vehicle dynamics states and prevent the road accidents. Finally, we implement our algorithm in the experimental vehicle to realize real-time estimation. Experimental data has validated the proposed algorithm.