Les systèmes de production sont devenus des systèmes de grande échelle dont la complexité est accentuée par des contextes marqués de plus en plus par le changement. La capacité des systèmes a répondre au changement – appelée également changea-bilité – est reconnue comme étant une propriété essentielle pour leur cycle de vie, aussi bien dans le domaine des systèmes de production que dans le domaine de la conception en ingénierie. Au regard de la complexité des systèmes de production changeables, la méthodologie proposée par cette thèse a pour objectif de supporter la change-abilité dans la conception en souscrivant au domaine de l’ingénierie des systèmes. La première contribution est un formalisme pour la modélisation des systèmes changeables étayé d’après les principes de la conception systémique. Les concepts de flexibilité et de reconfigurabilité ne sont ici pas limités à des composants organiques du système, mais englobent l’ensemble des artefacts d’ingénierie dans le domaine du problème (exigences) et le domaine de la solution (blocs structurels). La deuxième contribution est une méthodologie pour la conception et la gestion des systèmes changeables. Elle repose sur un modèle du cycle de vie des systèmes changeables où des phases de conception des capacités de change-abilité du système s’alternent avec des phases de reconception tirant bénéfice de ces capacités existantes. Ces processus complémentaires garantissent la cohérence entre les décisions de conception pour intégrer et réutiliser des capacités de change-abilité, augmentant alors leurs potentiels tout au long du cycle de vie des systèmes complexes. Les concepts et les méthodologies développés ont été validés par des projets de conception de systèmes de production chez un équipementier automobile. Enfin, des développements possibles d’outils d’aide à la conception supportant la méthodologie proposée sont discutés. / Manufacturing systems have become large scale systems with increasing complexity particularly magnified by highly changing contexts. The system’s ability to cope with change (i.e. changeability) is recognized as a critical lifecycle property in the manufacturing system and engineering design domains. Given the complexity of changeable manufacturing systems, the proposed methodology of this dissertation aims to support design of changeability in subscribing to the domain of system engineering. The first contribution is a formalism for modeling changeability in a systemic way. Flexibility and reconfigurability paradigms are not limited to physical components of the system, but to the overall system architecture that encompasses all engineering artifacts relating to the designed system in both the requirements and physical solution domains. The second contribution is the methodology for the design and the management of changeability. The methodology utilizes a lifecycle model for changeable systems, in which design for changeability phases alternate with re-design phases that embrace and benefit from the existing changeability capabilities. These complementary processes allow a better consistency between design decisions to embed and reuse changeability, increasing changeability potential during the lifecycle of complex systems. The developed concepts and methodologies are validated in manufacturing system design projects from an automotive supplier. Finally, perspectives on design tools assisting the proposed methodology are discussed.

Antenne de l'avenir surtout pour les applications spatiales sont de plus en plus complexe en raison de la nécessité de reconfigurabilité en termes de fréquence, la puissance rayonnée et reçues, la consommation d'énergie et de la fiabilité. Dans ce contexte, réflecteurs et des surfaces sélectives en fréquence (FSS) sont particulièrement les plus intéressantes dans les domaines de la conception RF. Mais en raison de leur grande taille et de la complexité des cellules élémentaires, l'analyse complète de ces structures nécessite énormément de mémoire et des temps de calcul excessif spécialement lorsque des éléments de réglage tels que RF-MEMS sont également intégrés au sein des cellules. Par conséquent, les techniques classiques basées sur maillage linéaire soit ne parviennent pas à simuler de telles structures soit, exiger des ressources non disponibles à un concepteur d'antenne. Une technique appelée "technique par changement d'échelle" tente de résoudre ce problème par partitionnement de la géométrie du réseau par de nombreux domaines imbriqués définis à différents niveaux d'échelle du réseau. Le multi-pôle par changement d'échelle, appelé "Scale Changing Network (SCN)", modélise le couplage électromagnétique entre deux échelles successives, en résolvant une formulation intégral des équations de Maxwell par une technique basée sur la méthode des moments. La cascade de ces multi-pôles par changement d'échelle, permet le calcul de la matrice d'impédance de surface de la structure complète qui peut à son tour être utilisées pour calculer la diffraction en champ lointain. Comme le calcul des multi-pôles par changement d'échelle est mutuellement indépendant, les temps d'exécution peuvent être réduits de manière significative en parallélisant le calcul. Par ailleurs, la modification de la géométrie de la structure à une échelle donnée nécessite seulement le calcul de deux multi-pôles par changement d'échelle et ne requiert pas la simulation de toute la structure. Cette car actéristique fait de la SCT un outil de conception et d'optimisation très puissant. Des structures planaires uniformes et non uniformes excité par un cornet ont étés modélisés avec succès, avec des temps de calcul délais intéressants, employant les ressources normales de l'ordinateur. Avec l'intérêt croissant pour des réflecteurs hautement reconfigurables pour les applications spatiales, différentes technologies pour réaliser la reconfigurabilité du diagramme de rayonnement ont été explorées ces dernières années. L'une d'elles consiste à imprimer un déphasage approprié en différent point du front d'onde incident à l'aide de cellule déphaseuse à MEMS-RF. En raison de la grande diversité des échelles dans de telles structures reconfigurables, les outils classiques de simulation électromagnétique se révèlent souvent inefficaces en termes des ressources informatiques et de temps de calcul. Les approches basées sur un circuit électrique équivalent se sont avérées plus utiles pour les concepteurs.

La microfluidique est un domaine relativement récent, elle est réellement apparue qu'au début des années 90. Mais ce domaine a connu une très forte progression et a atteint une certaine maturité qui lui permet d'intervenir dans un large spectre d'applications, chimiques, biologiques, génomiques, optiques... Cet essor a été permis par le développement de technologiques spécifiques et particulièrement par les technologies polymères. Le travail de thèse présenté ici s'appuie donc sur le savoir-faire technologique du laboratoire en microfabrication pour réaliser un couplage entre la microfluidique et les hyperfréquences et ainsi élargir encore un peu plus son spectre d'application. Un des challenges actuels pour les circuits d'émissions-réceptions est la miniaturisation des éléments passifs reconfigurables. Des filtres accordables grâce à des moyens microfluidique ont donc été étudiés de la conception à la caractérisation, en passant par un important travail de fabrication. Celui-ci est basé sur la technique de laminage de film sec de SU-8 et a permis d'intégrer des canaux microfluidiques aux substrats de filtres micro-rubans. La circulation d'eau distillée a montré de très bons résultats en termes de décalages de la fréquence centrale. D'autres pistes d'interactions liquides-micro-ondes sont également présentées telles qu'une utilisation de filtres comme capteur d'élément chimiques ou biologiques.La microfluidique est un domaine relativement récent, elle est réellement apparue qu'au début des années 90. Mais ce domaine a connu une très forte progression et a atteint une certaine maturité qui lui permet d'intervenir dans un large spectre d'applications, chimiques, biologiques, génomiques, optiques... Cet essor a été permis par le développement de technologiques spécifiques et particulièrement par les technologies polymères. Le travail de thèse présenté ici s'appuie donc sur le savoir-faire technologique du laboratoire en microfabrication pour réaliser un couplage entre la microfluidique et les hyperfréquences et ainsi élargir encore un peu plus son spectre d'application. Un des challenges actuels pour les circuits d'émissions-réceptions est la miniaturisation des éléments passifs reconfigurables. Des filtres accordables grâce à des moyens microfluidique ont donc été étudiés de la conception à la caractérisation, en passant par un important travail de fabrication. Celui-ci est basé sur la technique de laminage de film sec de SU-8 et a permis d'intégrer des canaux microfluidiques aux substrats de filtres micro-rubans. La circulation d'eau distillée a montré de très bons résultats en termes de décalages de la fréquence centrale. D'autres pistes d'interactions liquides-micro-ondes sont également présentées telles qu'une utilisation de filtres comme capteur d'élément chimiques ou biologiques.

L'évolution de notre société est spectaculaire. Les nouvelles technologies apportent sans cesse des bouleversements dans nos vies, dont nous n'avons d'ailleurs pas toujours conscience tellement ces changements sont rapides et naturels. Qui aujourd'hui ne possède pas un téléphone portable extra miniature, possédant de multiples fonctionnalités intégrées: appareil photo, boussole, loupe...? Qui n'a pas entendu parlé des progrès phénoménaux réalisés en médecine avec, par exemple, la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) ou encore l'utilisation par les chirurgiens d'outils extrêmement précis, assistés par ordinateur? Parmi ce contexte très général de révolutions technologiques, ma simple contribution se situe dans le développement de microsystèmes hyperfréquences, que ce soit :  pour les communications et transfert d'informations avec des modules toujours plus performants et agiles (multifonctionnalité),  et plus récemment pour les domaines de la biologie et du médical avec le développement de systèmes d'analyse par ondes électromagnétiques hautes fréquences. La démarche scientifique adoptée vise à établir, grâce aux microtechnologies, de nouvelles perspectives d'exploitation des microsystèmes hyperfréquences, au-delà des technologies conventionnelles. Ceci commence par l'élaboration de circuits passifs à fort coefficient de qualité, leur intégration tridimensionnelle vers toujours plus de miniaturisation et fréquences de fonctionnement plus élevées, l'évaluation de matériaux inédits (notamment à base de nanotubes de carbone) qui apportent de nouvelles possibilités aux concepteurs HF, de concepts innovants de composants à forte reconfigurabilité, que ce soit par une approche mécanique avec les MEMS RF, ou encore avec des liquides, jusque de nouvelles applications pour les domaines de la biologie et du médical, l'environnement et même l'agro-alimentaire.

Afin de mettre à profit les propriétés des plasmas pour développer des fonctions hyperfréquences originales, le milieu plasma doit d’abord être caractérisé dans cette gamme de fréquence car son expansion et sa densité, supposée homogène, sont des paramètres mal maîtrisés. Une méthode de mesure de la constante diélectrique du plasma a donc été développée pour déterminer une permittivité relative complexe moyenne dans les conditions d’utilisation et d’excitation. A partir d’un modèle basé sur une méthode modale, et de la mesure de fréquence de résonance d’un résonateur, on caractérise un milieu plasma (permittivité, fréquence de coupure plasma) généré au sein d’une ligne microruban multicouches. Cette thèse, à l’intersection entre deux disciplines, plasmas et micro-ondes, valide l’utilisation de plasma localisé au sein d’une technologie planaire multicouches pour dimensionner des lignes d’impédance et/ou longueur de ligne variables. Elle met également en avant les difficultés rencontrées en termes de réalisation, pour générer des plasmas reproductibles et stables. / In order to take profits of the plasma properties to develop new hyperfrequency funtioncs, the plasma media must be first characterize in this frequency range because his expansion and density, supposed homogeneous, are parameters not well known. A method of measurement of the plasma’s dielectric constant have been developped to determine an average relative complexe permittivity in the condition of use and excitation. From this method based on a modal method, and from the measurement of the resonant frequency, we can characterize the plasma media (permittivity, cut-off frequency of the plasma) generated within a multilayer microstrip line. This thesis, which verge on the junction between two major fields : microwaves and plasma physics, allowed us to ascertain on the local use of plasma media within multilayer planar technology, in order to design lines with variable impedance and/or variable electrical length. It also highlights on the major difficulties with the generation of stable and reproductible plasma.

La rigidité est un des objectifs de performance les plus importants pris en compte lors de la conception de systèmes robotiques. Le contrôle de la raideur physique en cours de tâche est une problématique scientifique en plein essor dans le cadre de la conception innovante de robots à forte polyvalence. L’association d’une structure robotique compliante et d’un composant en alliage à mémoire de forme (AMF) est réalisée dans le but d’obtenir des cartes de compliance variables dans le temps sur un même espace de travail. Les AMF sont en effet des matériaux actifs qui possèdent des caractéristiques comportementales pouvant être exploitées dans cette application. La structure considérée pour l’étude n’a pas de degré de liberté interne mais sa déformation permet de créer un pseudo-espace de travail. Celui-ci diffère selon l’état activé/non-activé de l’AMF. L’intersection des deux espaces obtenus représente alors les positions de l’effecteur où il est possible d’avoir des valeurs de compliance différentes. Les cartes obtenues montrent des caractéristiques intéressantes pour la perspective de la conception de robots polyvalents ayant une nouvelle forme de reconfigurabilité basée sur le changement de propriétés matérielles. / The rigidity is one of the most important performance targets which is taken into account for the design of robotic systems. The control of the physical stiffness during industrial tasks is a scientific issue which is rapidly expanding in the context of the innovative design of highly polyvalent robots. The combination of a compliant robotic structure and a shape memory alloy (SMA) component is carried out in the aim of obtaining variable compliance maps over time and in the same workspace. SMAs are actually active materials with specific thermomechanical properties which can be used in this application. The considered structure has no internal degree of freedom, but the deformation of the arms allows the creation of a “Pseudo-Workspace” (PWS). This PWS varies as a function of the activated/non-activated state of the SMA component. The intersection of the two obtained PWSs represents the effector’s positions where it is possible to have different compliance values. Generated maps show interesting characteristics in the perspective of the design of polyvalent robots based on a new type of reconfigurability (change of material properties).

L'industrie est aujourd'hui, comme elle a toujours été, une pierre angulaire de l'économie pour chaque pays développé. Avoir une base solide en entreprises industrielles est très important parce qu’elles poussent et stimulent tous les autres secteurs de l'économie, et offrent également une grande variété d'emplois qui apporte des bonnes conditions de vie dans de nombreux secteurs de la société. L’augmentation de la concurrence mondiale, l’évolution rapide du marché, la nécessité de créer des entreprises stables avec des usines rentables obligent la mise en oeuvre d’une démarche globale prenant en compte à la fois les aspects techniques, économiques, logistiques et sociétaux lors de la conception d’un système de production innovant. L’objectif de cette thèse est de contribuer au développement d’un concept innovant de Systèmes de Production Reconfigurables et Agiles (SPRA) permettant de s'adapter rapidement et efficacement aux exigences imposées du marché, des clients, de la technologie des procédés, de l’environnement et de la société afin que l’entreprise soit dynamique, compétitive et rentable. Dans ces travaux de thèse, la proposition d'un modèle générique et la caractérisation de ce nouveau type de système de production ont été décrits en utilisant le langage de modélisation des systèmes complexes (SysML : Systems Modeling Language). Ensuite, nous avons développé un processus de reconfiguration qui représente une démarche à suivre pour concevoir et implanter une nouvelle configuration. De plus, un pilotage opérationnel adapté au SPRA a été introduit. Enfin, quelques travaux développés au cours de cette thèse ont été partiellement déployés sur un démonstrateur industriel au sein de la plate-forme AIP-PRIMECA Auvergne. / Industry is, today as it has always been, a cornerstone of the economy for any developed country. Having a strong manufacturing base is very important because it impels and stimulates all the other sectors of the economy. It provides a wide variety of job, which bring higher standards of living to many sectors of society, and builds a strong middle class. Increasing global competition, rapid changes in the marketplace and the need to create stable companies with profitable plants require the implementation of a global approach, taking into account technical, economic, logistic and societal aspects in the design of an innovative manufacturing system. The aim of this dissertation is to contribute to the development of an innovative concept of Reconfigurable and Agile Manufacturing Systems (RAMS) to adapt quickly and effectively to the requirements imposed by markets, customers, technology processes, the environment and society, to ensure that the enterprise is dynamic, competitive and profitable. In this thesis work, the characterization and proposal of a generic model for this new type of manufacturing system have been described using the language of complex systems modeling (SysML: Systems Modeling Language). We have developed a reconfiguration process that represents the approach to follow in the design and implementation of a new configuration. In addition, the operational control of a RAMS has been introduced. Finally, some works developed in this thesis have been partially deployed on an industrial demonstrator within the AIP-PRIMECA Auvergne organisation.

Les matériaux à bande interdite électromagnétique (BIE) plus connus sous le nom de cristaux photoniques en optique, sont des structures périodiques possédant des propriétés intéressantes que l'on ne retrouve pas dans les matériaux conventionnels. Ces propriétés dépendent des paramètres géométriques de la structure, et des paramètres constitutifs de ses éléments ( E et μ). Ainsi, ils peuvent présenter un indice de réfraction négatif, posséder des bandes interdites ou encore être fortement anisotropes. Pour les dispositifs hyperfréquences, l'exploitation de ces propriétés s'avère très pertinente. Or, ces structures sont en général passives, et l'une des considérations actuelles vise à les rendre reconfigurables, afin d'étendre encore leur champ d'applications. L'originalité de ce travail consiste à utiliser les plasmas comme élément contrôlable. En effet, leurs paramètres physiques (E , diamètre etc.) varient en fonction des conditions de décharge. Pour l'étude de ce principe de reconfigurabilité, un dispositif de diviseur de puissance commutable à base d'un BIE a été défini. Différents plasmas de grand volume à des pressions allant de 40 à 760 torrs ont été étudiés puis intégrés dans le dispositif. Des mesures microondes ont alors mis en évidence le contrôle de la propagation de l'onde par le plasma. Cette thèse, à l'intersection de deux disciplines, plasma et microondes, a permis de valider le concept d'utilisation de plasmas localisés pour rendre reconfigurable certaines propriétés des structures BIE. Suite à cette validation, d'autres travaux sont d'ores et déjà entamés, afin d'améliorer les performances et d'explorer d'autres idées liant notamment métamatériaux et plasmas.

Les travaux présentés lors de cette thèse s’inscrivent dans le cadre des réseaux de microsystèmes communicants dont les réseaux de capteurs sont l’exemple le plus connu. La problématique adressée est la conception d’une interface radio communicante répondant aux besoins spécifiques des microsystèmes communicants : simplicité, faible coût, faible consommation, faible encombrement, haut débit et reconfigurabilité. Les technologies actuelles sans fil comme le WiFi, le Bluetooth, et Zigbee ne sont pas en mesure de répondre à ces contraintes spécifiques. L’étude se focalise sur la technologie IR-UWB (Impulse Radio Ultra-WideBand). Dans un premier temps, une étude conjointe sur la capacité du canal et l’implémentation matérielle est menée pour déterminer l’architecture optimale des émetteurs-récepteurs en IR-UWB. Cette étude propose l’utilisation d’une architecture multi bandes IR-UWB (MB-IR-UWB) à implémentation mixte à 60 GHz avec des antennes directives. Cette solution est optimisée sur les critères de débit et puissance consommée. Afin de supporter l’ensemble des besoins des applications des réseaux de microsystèmes communicants et l’évolution de l’environnement d’opération, la reconfigurabilité doit être implémentée dans les émetteur-récepteurs proposés. Ces travaux présentent une proposition de reconfigurabilité par paramètres, qui permet de supporter la plus grande gamme de reconfigurabilités multi propriétés (débit, taux d’erreur, portée, puissance consommée, …) de l’état de l’art. Enfin, pour valider par la mesure les travaux sur la reconfigurabilité et sur les architectures d’émetteur-récepteurs IR-UWB, des implémentations FPGA et ASIC sont réalisées. Un nouveau procédé de synchronisation et démodulation conjointe reconfigurable est proposé dans le récepteur IR-UWB BPSK S-Rake. Les mesures montrent que le circuit de traitement proposé améliore les performances en synchronisation, démodulation, efficacité, débit du réseau, consommation et complexité du circuit. L’émetteur-récepteur IR-UWB reconfigurable proposé atteint un débit et une gamme de reconfigurabilité supérieure à l’état de l’art. / The research work presented in this thesis is situated in the framework of wireless sensor networks (WSNs). The issue addressed is the design of a radio interface answering the specific needs of WSNs: simplicity, low cost, low power, small size, high data rate and reconfigurability. Current wireless technologies like WiFi, Bluetooth, and Zigbee are not able to respond to these requirements. Thus this study focuses on Impulse Radio Ultra-WideBand (IR-UWB) technology. At first, a joint study of the channel capacity and the hardware implementation is carried out to determine the optimal architecture of IR-UWB transceivers. This study proposes an architecture using multi-band IR-UWB (MB-UWB-IR) with a mixed implementation at 60 GHz with directional antennas. This solution is optimized according to the criteria of data rate and power consumption. To support the all the needs of WSN applications and to adapt to the evolution of the WSN’s environment, reconfigurability must be implemented in the proposed IR-UWB transceiver. This thesis presents a new solution: the reconfigurability by parameters. It supports the widest range of multi-property reconfigurability (with respect to data rate, bit error rate, radio range, power consumption, ...) of the state of the art. Finally, to validate these techniques by measurements, FPGA and ASIC implementations are realized by using the reconfigurability and the IR-UWB transceiver architecture proposed. A new method for joint synchronization and demodulation is proposed for a reconfigurable IR-UWB BPSK S-Rake receiver. The measurements show that the proposed technique improves the circuit performance: synchronization, demodulation, efficiency, network throughput, power consumption and complexity of the circuit. The proposed IR-UWB reconfigurable transceiver achieves a data rate and a wider range of reconfigurability compared to the state of the art