Aujourd'hui traverser les océans peut s'effectuer sans difficulté en utilisant toute sorte de véhicule marin. Cependant, il n'en est pas de même pour l'exploration des fonds marins. Face à ce milieu hostile et dangereux, mais potentiellement riche tant sur le plan biologique que sur le plan d'éventuelles ressources exploitables, l'homme a besoin d'assistance dans sa découverte des profondeurs, l'intervention de robots sous-marins est une alternative pour écarter les dangers qui peuvent subir les plongeurs. Dans ce contexte, le présent manuscrit porte sur la modélisation et la commande d'un ROV (Remotely Operated Vehicle) destiné pour l'observation des sites archéologies. Après avoir identifié les différentes variables caractérisantes de la géométrie fixe, nous détaillons, dans un premier temps, la modélisation cinématique et dynamique du véhicule. Il est important de noter qu'un jeux de paramètres d'inertie, masse ajoutée et coefficients de traînées est identifié moyennant les caractéristiques géométriques du robot. Un modèle hydrodynamique non-linéaire et complet du sous-marin a ainsi pu être développé. Pour réussir une opération d'observation, en utilisant les caméras embarquées, la deuxième partie de la thèse traite le problème de stabilisation du modèle du ROV à l'équilibre. Nous proposons une commande instationnaire explicite dépendante à la fois de l'état et du temps, suivie d'une étude de robustesse de la commande par rapport aux perturbations extérieures vérifiant certains degrés d'homogénéité. L'autonomie d'une opération d'observation nécessite aussi de contrôler les déplacements du Rov tout au long d'une trajectoire de référence. Nous avons traité dans la troisième partie de ce manuscrit le problème de stabilité et de stabilisation d'un système d'erreur entre la position réelle du véhicule et la position d'un modèle de référence. Afin d'exploités les résultats théoriques de la thèse, en bénéficiant de l'expertise de l'équipe IRA2 dans le domaine de la Réalité Virtuelle (RV), en dépit des simulations classiques réalisées sous Matlab, nous proposons de construire un environnement sous-marin (ou piscine) qui intègre la CAD du Rov: simulation interactive pour la navigation. Ainsi, on a posé les problématiques liées aux capteurs virtuels et la construction des observateurs, interfaçage des boucles de commande (à travers simulink) et la plateforme virtuelle qui fait appel à Virtools. / Today cross oceans can be done easily. However, it is not the same case for the seabed exploration. As this hostile and dangerous environment can be biologically rich and has exploitable resources, the man needs help in his discovery of the depths. Therefore, the intervention of underwater robots was a solution. In this context, the present manuscript deals with modeling and control of a ROV (Remotely Operated Vehicle). After identifying the different variables characterizing the fixed geometry, we study, at first, kinematics and dynamic modeling of the ROV. It is important to note that sets of inertia parameters of added mass and streaks coefficients is identified by means of the geometrical characteristics of the robot. A full nonlinear dynamic model of the submarine has been established. The second part of the thesis deals with the stabilization problem of the ROV’s model. We offer an explicit unsteady dependent control of both the state and time. A robust study of the control relative to external interference checking certain degree of homogeneity has been established. The autonomy of Rov also requires control movement along a reference path. We treated in the third part the Rov’s stability problem to ensure the tracking of a reference trajectory. These results are operated on a virtual platform, and implemented on the dedicated Virtools software for this application. To lighten the structure in terms of sensors and because of the high prices of various sensors, it is necessary to design a system called auxiliary observer who charge rebuild unmeasurable states using available information. A nonlinear observer has been proposed to the estimation of linear and non-measurable angular velocity, which will be considered as virtual sensors. These sensors will be implemented on the platform that will be used to animate the ROV in its virtual world.

Ce mémoire présente une analyse des performances d'algorithmes de pistage dans le cas d'un lidar à faible résolution angulaire. Plus particulièrement, on s'intéresse à un système lidar composé de capteurs individuels couvrant chacun une région angulaire distincte. Les capteurs utilisés ont la particularité de mesurer uniquement la distance des objets rencontrés, limitant ainsi la résolution angulaire à leur faisceau. Les algorithmes ont été testés à l'aide de données de simulations basées sur le système lidar. Dans les cas de détections simples, un algorithme de pistage instantané basé sur un filtre de Kalman a été amplement suffisant. Pour des cas plus complexes, l'utilisation de la théorie des hypothèses multiples ( MHT pour multiple hypothesis theory ) a permis d'améliorer les résultats d'associations. Dans cette méthode, lorsqu'il y a une ambiguïté d'associations, les hypothèses probables sont considérées en parallèle jusqu'à ce que l'information reçue aux instants subséquents permette d'identifier l'association la plus probable. Pour le cas à l'étude, les résultats optimaux ont été obtenus pour un MHT considérant au plus 3 hypothèses à chaque instant et en attendant au plus 3 pas de temps pour prendre une décision. Globalement, les algorithmes présentés ont mieux réagi face aux fausses alarmes plutôt que face aux non détections. Une méthode permettant d'optimiser les temps de calcul des algorithmes a également été développée. Cette méthode se base sur l'algorithme de Murty et permet de passer d'une méthode d'association simple et rapide (ici l'algorithme d'associations par plus proches voisins)à une méthode d'associations plus complexe (ici par filtre de Kalman) seulement lorsqu'une ambiguïté est détectée dans l'association. Dans le cas d'une situation simple à deux cibles, des performances comparables à celle d'une association par filtre de Kalman ont été obtenues avec un temps de calcul de moins de 10% de celui nécessaire habituellement. / This thesis presents an analysis of the performance of tracking algorithms in the case of a lidar with low angular resolution. More particularly, we are interested in a lidar system composed of individual sensors each covering a distinct angular region. The sensors used have the particularity of measuring only the distance of the objects encountered, thus limiting the angular resolution to their beam. The algorithms were tested using simulation data based on the lidar system. In the case of simple detections, an instant tracking algorithm based on a Kalman filter was more than sufficient. For more complex cases, the use of multiple hypothesis theory (MHT) made it possible to improve tracking results. In this method, when there is an ambiguity in the tracking, the possible hypotheses are considered simultaneously until the information received at subsequent times makes it possible to identify the correct one. For the case under study, optimal results were obtained for an MHT considering at most 3 hypotheses at any time and waiting at most 3 time steps to make a decision. Overall, the algorithms presented reacted better to false alarms rather than to non-detections. A method for optimizing the calculation times of the algorithms has also been developed. This method is based on Murty's algorithm goes from a simple and fast tracking method (here by nearest neighbors) to a more complex association method (here using a Kalman lter) only when an ambiguity is detected. In the case of a simple situation with two targets, performances comparable to that of an association by Kalman filter were obtained with a calculation time of less than 10% of that usually required.

Ce mémoire présente une analyse des performances d'algorithmes de pistage dans le cas d'un lidar à faible résolution angulaire. Plus particulièrement, on s'intéresse à un système lidar composé de capteurs individuels couvrant chacun une région angulaire distincte. Les capteurs utilisés ont la particularité de mesurer uniquement la distance des objets rencontrés, limitant ainsi la résolution angulaire à leur faisceau. Les algorithmes ont été testés à l'aide de données de simulations basées sur le système lidar. Dans les cas de détections simples, un algorithme de pistage instantané basé sur un filtre de Kalman a été amplement suffisant. Pour des cas plus complexes, l'utilisation de la théorie des hypothèses multiples ( MHT pour multiple hypothesis theory ) a permis d'améliorer les résultats d'associations. Dans cette méthode, lorsqu'il y a une ambiguïté d'associations, les hypothèses probables sont considérées en parallèle jusqu'à ce que l'information reçue aux instants subséquents permette d'identifier l'association la plus probable. Pour le cas à l'étude, les résultats optimaux ont été obtenus pour un MHT considérant au plus 3 hypothèses à chaque instant et en attendant au plus 3 pas de temps pour prendre une décision. Globalement, les algorithmes présentés ont mieux réagi face aux fausses alarmes plutôt que face aux non détections. Une méthode permettant d'optimiser les temps de calcul des algorithmes a également été développée. Cette méthode se base sur l'algorithme de Murty et permet de passer d'une méthode d'association simple et rapide (ici l'algorithme d'associations par plus proches voisins)à une méthode d'associations plus complexe (ici par filtre de Kalman) seulement lorsqu'une ambiguïté est détectée dans l'association. Dans le cas d'une situation simple à deux cibles, des performances comparables à celle d'une association par filtre de Kalman ont été obtenues avec un temps de calcul de moins de 10% de celui nécessaire habituellement. / This thesis presents an analysis of the performance of tracking algorithms in the case of a lidar with low angular resolution. More particularly, we are interested in a lidar system composed of individual sensors each covering a distinct angular region. The sensors used have the particularity of measuring only the distance of the objects encountered, thus limiting the angular resolution to their beam. The algorithms were tested using simulation data based on the lidar system. In the case of simple detections, an instant tracking algorithm based on a Kalman filter was more than sufficient. For more complex cases, the use of multiple hypothesis theory (MHT) made it possible to improve tracking results. In this method, when there is an ambiguity in the tracking, the possible hypotheses are considered simultaneously until the information received at subsequent times makes it possible to identify the correct one. For the case under study, optimal results were obtained for an MHT considering at most 3 hypotheses at any time and waiting at most 3 time steps to make a decision. Overall, the algorithms presented reacted better to false alarms rather than to non-detections. A method for optimizing the calculation times of the algorithms has also been developed. This method is based on Murty's algorithm goes from a simple and fast tracking method (here by nearest neighbors) to a more complex association method (here using a Kalman lter) only when an ambiguity is detected. In the case of a simple situation with two targets, performances comparable to that of an association by Kalman filter were obtained with a calculation time of less than 10% of that usually required.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'estimation de canal est une tâche cruciale du récepteur dans les systèmes de communication sans fil, en particulier en cas de mobilité où les paramètres du canal varient avec le temps. Dans cette thèse, un nouvel estimateur de boucle de poursuite d'ordre 3 ( RW3-CATL), qui a une structure semblable à la PLL avec une faible complexité a été tout d'abord proposé pour estimer l'amplitude complexe du canal dans le cas mono-trajet mono-porteuse. Le lien entre un filtre de Kalman en régime asymptotique basé sur un modèle d'approximation de marche aléatoire (RW3-KF) et l'estimateur proposé est établi. Les expressions des paramètres sous-optimaux et d'EQM correspondante sont données sous forme analytiques en fonction des gains de boucle. Ensuite, les performances asymptotiques du RW3-KF ont été analysées en résolvant les équations de Riccati. L'expression analytique de la variance optimale du bruit d'état qui minimise l'EQM asymptotique a été également déduite. / Channel Estimation is a crucial task of the receiver in wireless communication systems, especially in case of mobility where the channel parameters vary with time. In this thesis, a novel PLL-structured third-order tracking loop estimator (RW3-CATL) with a low complexity is firstly proposed to estimate the complex amplitude of the channel in the mono-path single-carrier scenario. The connection between a steady-state Kalman filter based on a random walk approximation model (RW3-KF) and the proposed estimator has been established. The sub-optimal parameters and the corresponding MSE of the RW3-CATL are given in closed-form expressions in function of the tracking loop parameters. Then, the asymptotic performance of the RW3-KF has been analysed by solving the Riccati equations. The closed-form expression of the optimal state noise variance which minimizes the asymptotic MSE is also derived.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La réduction de la taille des transistors et des tensions d’alimentations permettent de concevoir des circuits intégrés de plus en plus complexes. Cependant, en abordant les limites de l’intégration des transistors et en fleuretant avec les tensions d’alimentation minimale, la fiabilité des circuits n’est plus garantie : des erreurs dues aux perturbations environnementales peuvent apparaitre. L’apparition de ces erreurs affectent le comportement du circuit et peuvent, par intermittence ou de façon permanente, le rendre inapte à rendre le service pour lequel il a été conçu. Par conséquent, il est de plus en plus important de considérer les effets de ces erreurs dans la conception des futurs circuits. L’objectif de la thèse est de traiter la fiabilité des systèmes numériques et d’introduire de nouvelles techniques de tolérance aux pannes permettant de construire des applications de traitement de signal fiables sur un électronique peu fiable. Un exemple d’application a été considéré durant la thèse : les modules de poursuite dans un récepteur GPS. Ces modules contiennent un ensemble d’applications de traitement de signal avec des exigences de fiabilité différentes : fonction de corrélation, boucles de rétroactions, machines d’états, générateurs de codes et de porteuses. À partir d’une version standard d’un récepteur GPS, des mécanismes de redondance ont été proposés et ajoutés pour concevoir un récepteur GPS plus tolérant aux erreurs. Un circuit intégré (ASIC) sera conçu en utilisant une technologie 28 nm pour valider les performances de ces techniques et faire les tests de mesures de consommation d’énergie. Au cours de la thèse, une plate-forme d’émulation a été conçue pour préparer l’environnement expérimental à utiliser une fois l’ASIC fondu. / There is continual motivation to scale down transistors size and to reduce the supply voltage of the circuits. However, by approaching the limits of transistor scaling and operating at a minimal supply voltage, circuit reliability has emerged as a critical concern. Circuits become more and more susceptible to errors due to Process, Voltage and Temperature (PVT) variations. Occurrence of errors can affect the behavior of circuits and generate a permanent system failure. Therefore, it is increasingly important to deal with errors effects in order to keep future devices working properly. The objective of the thesis is to address the reliability in digital systems and introduce new fault tolerant techniques to perform reliable signal processing applications on unreliable hardware. An example of application has been considered in the thesis: the tracking process of GPS receivers. It contains a very interesting set of different signal processing problem with different requirements of reliability: Correlation process, tracking loops (recursive operations), state machine, Gold and carrier generators. Starting from a noiseless GPS receiver, redundant mechanisms have been proposed and added to design a more resilient GPS receiver tolerant to errors. An Application-Specific Integrated Circuit (ASIC) will be designed, based on thesis results, using the 28 nm technology to validate the performances of the proposed techniques performances. During the thesis, an emulation platform was designed to prepare the experimental environment for the ASIC.

Actuellement, les méthodes de suivi d’objet utilisent majoritairement un capteur conventionnel doté d’une fréquence de capture limitée, par exemple : une caméra couleur RGB ou un capteur RGB-D qui fournit également la profondeur à chaque pixel. Ceux-ci ne sont pas idéaux lorsque l’objet se déplace à grande vitesse car des images floues sont produites. Augmenter la fréquence de capture est la solution naïve, mais cela a comme effet d’augmenter le nombre de données capturées et la complexité d’exécution des algorithmes. Ceci cause particulièrement problème dans un contexte de réalité augmentée qui utilise des systèmes embarqués ou mobiles qui ont des capacités de calcul limitées. D’un autre côté, la popularité des capteurs événementiels, qui mesurent les variations d’intensité dans la scène, est en augmentation dû à leur faible puissance d’utilisation, leur faible latence, leur capacité d’acquisition à grande vitesse et le fait qu’ils minimisent le nombre de données capturées. Ce mémoire présente donc une méthode d’apprentissage profond de suivi d’objet à grande vitesse en six degrés de liberté en combinant deux capteurs distincts, soit un capteur RGBD et une caméra événementielle. Pour permettre l’utilisation des capteurs conjointement, une méthode de calibration temporelle et spatiale est détaillée afin de mettre en registre les images capturées par les deux caméras. Par la suite, une méthode d’apprentissage profond de suivi d’objet est présentée. Celle-ci utilise uniquement des données synthétiques à l’entrainement et utilise les deux capteurs pour améliorer les performances de suivi d’objet en 6DOF, surtout dans les scénarios à grande vitesse. Pour terminer, un jeu de données RGB-D-E est capturé et annoté à la position réelle pour chaque trame. Ce jeu de données est accessible publiquement et peut être utilisé pour quantifier les performances de méthodes futures.

Actuellement, les méthodes de suivi d'objet utilisent majoritairement un capteur conventionnel doté d'une fréquence de capture limitée, par exemple : une caméra couleur RGB ou un capteur RGB-D qui fournit également la profondeur à chaque pixel. Ceux-ci ne sont pas idéaux lorsque l'objet se déplace à grande vitesse car des images floues sont produites. Augmenter la fréquence de capture est la solution naïve, mais cela a comme effet d'augmenter le nombre de données capturées et la complexité d'exécution des algorithmes. Ceci cause particulièrement problème dans un contexte de réalité augmentée qui utilise des systèmes embarqués ou mobiles qui ont des capacités de calcul limitées. D'un autre côté, la popularité des capteurs événementiels, qui mesurent les variations d'intensité dans la scène, est en augmentation dû à leur faible puissance d'utilisation, leur faible latence, leur capacité d'acquisition à grande vitesse et le fait qu'ils minimisent le nombre de données capturées. Ce mémoire présente donc une méthode d'apprentissage profond de suivi d'objet à grande vitesse en six degrés de liberté en combinant deux capteurs distincts, soit un capteur RGB-D et une caméra événementielle. Pour permettre l'utilisation des capteurs conjointement, une méthode de calibration temporelle et spatiale est détaillée afin de mettre en registre les images capturées par les deux caméras. Par la suite, une méthode d'apprentissage profond de suivi d'objet est présentée. Celle-ci utilise uniquement des données synthétiques à l'entrainement et utilise les deux capteurs pour améliorer les performances de suivi d'objet en 6DOF, surtout dans les scénarios à grande vitesse. Pour terminer, un jeu de données RGB-D-E est capturé et annoté à la position réelle pour chaque trame. Ce jeu de données est accessible publiquement et peut être utilisé pour quantifier les performances de méthodes futures.

Cette activité de recherche concerne le domaine de la navigation par satellite qui utilise lessystèmes GNSS (Global Navigation Satellite Systems). Elle vise à améliorer les performances globalesd’un système de navigation, c’est à dire la robustesse, la disponibilité et l’intégrité d’un récepteurutilisant les signaux GNSS pour élaborer sa position et sa vitesse. L’enjeu est important et on noteque les représentations des nouveaux signaux proposés pour GPS et GALILEO visent à diminuer lacorrélation entre les signaux, faciliter la poursuite de ces signaux en abaissant le niveau des seuils depoursuite, réduire l’effet des interférences. La navigation basée sur les signaux GNSS reste toutefoisdépendante du canal de propagation et est particulièrement affectée en cas réflexion, réfraction,diffraction, diffusion, et de blocage du signal émis par le satellite. Il en résulte une dégradationimportante des performances en environnement urbain. L’objectif de cette recherche est ainsi deproposer, d’analyser et de caractériser des architectures de récepteur robuste, permettantd’adresser efficacement le problème de la navigation dans des environnements difficiles où le signalGNSS est affecté par de fortes perturbations. De nombreux travaux de recherche visant à améliorer les performances des algorithmes de poursuite du signal au sein d’un récepteur ont été conduites, en particulier pour adresser leproblème de cette poursuite dans des environnements difficiles, en présence de multi-trajets. Lesapproches les plus connues traitent le signal de post-corrélation. Ainsi l’utilisation de corrélateursétroits permet de réduire l’impact des multi-trajets générant un retard important. De même destechniques utilisant un banc de corrélateurs pour estimer les paramètres des multi-trajets ont étéétudiées. La présence de multi-trajets demeure toutefois une importante source d’erreur pour desrécepteurs opérant en environnement urbain. L’amélioration des performances des récepteurs dansce contexte reste un enjeu important et de nombreuses études sont conduites en vue d’améliorer ladisponibilité, la robustesse, la fiabilité et l’intégrité de ces récepteurs. Le principal objectif de cette thèse est de proposer une architecture de poursuite adaptive exploitant des techniques de poursuite vectorielle (Vector Tracking Loop – VTL). Les récepteurs conventionnels utilisent une architecture directe où une poursuite scalaire du signal (Scalar TrackingLoop – STL) est réalisée en amont du navigateur. Cette architecture n’utilise pas les informationsélaborées par le navigateur pour améliorer les performances de la poursuite. Au contrairel’architecture vectorielle permet à la poursuite de bénéficier de la connaissance de la position et dela vitesse estimées par le récepteur. Il peut en résulter une dégradation de la poursuite lorsque le navigateur ne sait pas isoler une mesure contaminée. Cet architecture rend donc les performances d’un canal très dépendantes des mesures utilisées par le navigateur, et donc en particulier des autres canaux. L’approche qui est explorée ici vise à combiner les approches de poursuite STL et VTL pour améliorer les performances des récepteurs en environnement urbain, dans un contexte multiconstellation. / Present research activities in the field of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) aim atenhancing the overall navigation performance by providing better and more robust navigationsignals compared the ones available today. These GNSS signals are designed to provide betterimproved cross-correlation protection, lower tracking thresholds and reduced susceptibility tonarrow band interferences. However navigation based on GNSS signals remains sensitive topropagation impairments such as reflection, refraction, diffraction and scattering, and sometimesblockage of the line of sight signals. These effects are especially important in urban environment.Therefore, a better and more robust receiver design and implementation is crucial to meet anappropriate navigation performance using GNSS signals. Improving signal tracking algorithms inside the receiver is an attractive approach. This is particularly true in the case of urban environments where interference and multipath severely degrade the performance of the GPS positioning. Despite the many efforts of performance enhancement, multipath still remains as the dominant source of error and the limiting factor for many applications. Consequently improving the performance of a receiver in multipath environment is a great challenge and many studies are carried out to satisfy the above requirements in term of availability, reliability and integrity. The main goal of this PhD thesis is to propose a new adaptive tracking algorithm based on vector tracking loop (VTL) approach. Currently, the conventional technique (i.e., Scalar Tracking Loop (STL)) is implemented in a forward-only strategy which doesn’t exploit the position, velocity and time (PVT) solution provided by the Navigation System (NS). Standard VTL on the other hand, suffers from measurements contamination from the exploitation of PVT provided by the NS. This adaptiveapproach will take advantage of both tracking methods for providing reliable measurements in amulti-constellation context.