Les travaux que nous présentons dans ce mémoire portent sur la conception, le test et la réalisation de capteurs d'images monolithiques CMOS rapides et "intelligents" : le principe, les performances, les limites et les perspectives sont le corps de ce mémoire. L'implémentation matérielle d'un système de vision programmable en est l'articulation centrale. Nous avons mis au point une plate-forme expérimentale pour l'instrumentation et l'évaluation des opérateurs rétiniens. Après un état de l'art sur l'imagerie rapide et sur les capteurs CMOS, la deuxième partie de ce mémoire est consacrée à l'étude et à la conception du pixel du capteur d'images. Nous avons conçu deux circuits HISIC.I et HISIC.II en technologie standard CMOS 0,35 μm (double-poly, quadruple-metal). Le premier a permis de déterminer un nouveau modèle de photo-détecteur, et le second de réaliser un prototype de caméra embarquée dédiée à l'imagerie rapide et aux traitements d'images linéaire. HISIC intègre des traitements programmables au niveau même du pixel. C'est une machine massivement parallèle de 4096 processeurs analogiques arithmétiques interconnectés selon une grille 64×64 en topologie 4-connexe. Enfin, la dernière partie du mémoire s'articule autour de la validation expérimentale du capteur, tous les résultats et procédures expérimentales y sont regroupés.

La reconfiguration dynamique d'un logiciel peut être un auxiliaire utile pour adapter et maintenir des systèmes informatiques. Dans la plupart des approches, le système doit être interrompu pour que la reconfiguration puisse être exécutée. Cette interruption ne peut convenir aux systèmes temps-réel : il est nécessaires que les contraintes temporelles soient respectées, même lorsque le système est en train d'être reconfiguré.<br />Notre approche se base sur OSA+, un middleware temps-réel. Notre objectif principal est d'être capable de reconfigurer un (ou plusieurs) service lorsque le système est en fonction, avec un temps de non-réponse prévisible et prédéfini, c'est-à-dire un temps pendant lequel le système ne réagit pas à cause de la reconfiguration.<br />Trois approches différentes concernant le blocage ou le non-blocage d'un service sont présentées. Ces approches peuvent être utilisées pour réaliser un compromis entre le temps de reconfiguration et le temps de non-réponse.

Dans le domaine de la robotique, les véhicules autonomes de surface en milieu marin jouent un rôle important. Ils permettent de réaliser des opérations dangereuses, comme la surveillance d'environnements marins ou encore des relevés hydrographiques. Avant d'envisager le déplacement d'un véhicule autonome de surface, il est nécessaire d'assurer sa perception de l'environnement. Elle consiste à observer, localiser et éviter les obstacles. A cause des contraintes technologiques, la complexité de l'environnement naturel, et de la diversité des situations rencontrées, il est difficile d'effectuer une plate-forme parfaitement autonome et adaptée à des applications variées. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet ASAROME (Autonomous SAiling Robot for Oceanographic MEasurements), un projet de réalisation d'un voilier autonome pour des missions de mesures et d'observations de longues durées. Dans un premier temps, nous avons conçu une plate-forme de perception composée de plusieurs types de capteurs : hydrophones, caméra panoramique, centrale inertielle et sonar. A partir des signaux acquis pendant des campagnes de test, nous avons développé des méthodes de traitement du signal. Elles consistent à analyser et traiter des signaux sonores sous-marins et des images panoramiques pour la reconnaissance d'objets, la détection et la localisation d'obstacles. Pour améliorer la perception des obstacles, des méthodes de fusion de données multi-capteurs ont été développées. L'ensemble des algorithmes ont été validés expérimentalement, en lac puis en mer. Ce travail n'est que le premier pas vers la réalisation d'un robot autonome en milieu marin capable de réaliser des missions complexes de longue durée, mais il montre sa faisabilité par le développement de capacités de perception adaptées.

Dans un souci d'amélioration des conditions de sécurité routière, l'union Européenne s'est fixée comme objectif de réduire le nombre de décès sur les routes. Le projet Européen ASSET aspire à l'amélioration de la sécurité et de la protection des conducteurs, des engins roulants ainsi que des infrastructures routières. Notre travail de thèse s'inscrit pleinement dans le cadre du projet ASSET et a pour application le développement d'outils théoriques et pratiques intégrant un véhicule lambda pour l'amélioration de la sécurité routière. L'objectif de la thèse est de réaliser ou d'utiliser les bus de communication de terrain au sein du véhicule, permettant à ce dernier de communiquer avec tous ses organes et de récolter des informations importantes qui seront dans un deuxième temps communiquées en liaison sans fil aux autres véhicules (ou à une centrale) afin de renseigner sur l'état du véhicule ou de la route. Nous proposons un système ubiquitaire intelligent nommé PCAN (Pervasif Controller Area Network), qui aspire à être un système embarqué automatique et intelligent dans un véhicule pour améliorer la sécurité routière et le confort de conduite. Concrètement, ce système PCAN permet de recueillir des informations contextuelles sur l'environnement extérieur et intérieur du véhicule et aussi de communiquer en liaison sans fil avec d'autres systèmes externes. Lesystème est composé d'un bus CAN ouvert, d'un système de communication sans fil et d'un ordinateur embarqué. Le bus CAN ouvert est composé de nœuds permettant l'ajout direct de différents capteurs ou actionneurs. Deux différents ordinateurs embarqués ont été utilisés : Le CompactRio et un ordinateur portable. Grâce à ces derniers, des modules de communication sans fil ont été utilisés permettant l'échange des données par Wi-Fi, ZigBee et GPRS. Toutes les informations collectées peuvent être affichées au conducteur grâce à un écran tactile.Le système PCAN est implémenté dans un véhicule Citroën C4. Sur la base de ce véhicule intelligent, nous avons développé des scénarios et applications afin d'améliorer la sécurité routière et le confort de conduite. Une application de l'avertissement de l'ABS est développée et testée expérimentalement pour deux scénarios : un avertissement par V2V direct et un avertissement par V2I ou V2V indirect. Concernant l'avertissement V2V en communication ZigBee, une application de la localisation de véhicule en détresse est proposée grâce à une modélisation mathématique de la distance en fonction de la qualité du signal. Par ailleurs, un algorithme d'optimisation est réalisé pour rechercher la station de service (ou le point de recharge dans le cas d'un véhicule électrique) optimale en fonction de différents critères.Le système PCAN peut recueillir des informations contextuelles sur le véhicule et son environnement, il peut également établir des communications sans fil. Ces fonctionnalités sont enrichies par la possibilité d'effectuer le contrôle/commande de certains composants du véhicule raccordés au PCAN. Nous utilisons le système PCAN afin de contrôler et de commander à distance un actionneur mécatronique du véhicule. La méthode de commande est basée sur une association originale d'un PID avec un régulateur à base de Logique Floue (LF).

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le développement de tests pour les systèmes avioniques met en jeu une multiplicité de langages de test propriétaires, sans aucun standard émergent. Les fournisseurs de solutions de test doivent tenir compte des habitudes des différents clients, tandis que les échanges de tests entre les avionneurs et leurs équipementiers / systémiers sont entravés. Nous proposons une approche dirigée par les modèles pour s'attaquer à ces problèmes : des modèles de test sont développés et maintenus à la place du code, avec des transformations modèle-vers-code vers des langages de test cibles. Cette thèse présente trois contributions dans ce sens. La première consiste en l'analyse de quatre langages de test propriétaires actuellement déployés. Elle nous a permis d'identifier les concepts spécifiques au domaine, les meilleures pratiques, ainsi que les pièges à éviter. La deuxième contribution est la définition d'un méta-modèle en EMF Ecore, qui intègre tous les concepts identifiés et leurs relations. Le méta-modèle est la base pour construire des éditeurs de modèles de test et des motifs de génération de code. Notre troisième contribution est un démonstrateur de la façon dont ces technologies sont utilisées pour l'élaboration des tests. Il comprend des éditeurs personnalisables graphiques et textuels pour les modèles de test, ainsi que des transformations basées-motifs vers un langage de test exécutable sur une plateforme de test réelle.

Cette thèse présente un algorithme qui élimine les racines carrées et les divisions dans des programmes sans boucles, utilisés dans des systèmes embarqués, tout en préservant la sémantique. L'élimination de ces opérations permet d'éviter les erreurs d'arrondis à l'exécution, ces erreurs d'arrondis pouvant entraîner un comportement complètement inattendu de la part du programme. Cette trans- formation respecte les contraintes du code embarqué, en particulier la nécessité pour le programme produit de s'exécuter en mémoire fixe. Cette transformation utilise deux algorithmes fondamentaux développés dans cette thèse. Le premier permet d'éliminer les racines carrées et les divisions des expressions booléennes contenant des comparaisons d'expressions arithmétiques. Le second est un algorithme qui résout un problème d'anti-unification particulier, que nous appelons anti-unification contrainte. Cette transformation de programme est définie et prouvée dans l'assistant de preuves PVS. Elle est aussi implantée comme une stratégie de ce système. L'anti-unification contrainte est aussi utilisée pour étendre la transformation à des programmes contenant des fonctions. Elle permet ainsi d'éliminer les racines carrées et les divisions de spécifications écrites en PVS. La robustesse de cette méthode est mise en valeur par un exemple conséquent: l'élimination des racines carrées et des divisions dans un programme de détection des conflits aériens.

Ce mémoire présente l'étude et la conception d'électroniques d'interrogation de capteurs passifs de grandeurs physiques à base d'ondes élastiques se propageant à la surface de matériaux (SAW) piézoélectriques mono-cristallins. L'objectif consiste à réaliser une électronique d'interrogation capable de sonder la réponse d'un résonateur SAW au travers d'une liaison radiofréquence (RF) sans fils pour en extraire une information de température. Les résonateurs dans la bande ISM centrée en 433,92 MHz sont développés dans le cadre du projet SAWHOT pour de la mesure haute température (650 oC). Les résonateurs à onde élastique emmagasinent de l'énergie sous forme d'onde élastique lorsqu'ils sont stimulés par un signal radio-fréquence à la fréquence de résonance. Celle-ci est restituée à la fin de son excitation. Les électroniques présentées dans ce manuscrit fonctionnent sur l'analyse de la puissance rétro-diffusée par le capteur en s'inspirant de l'architecture d'un analyseur de réseau à balayage de fréquence. Deux électroniques d'interrogation sont présentées. La première utilise une synthèse de fréquence directe. La souplesse de générer un signal RF pour exciter le résonateur a donnée naissance à divers algorithmes pour optimiser les performances de la mesure. La vitesse à laquelle le lecteur est capable de sonder le capteur permet l'interrogation de capteurs placés sur un support mobile (axe de moteur). La résolution de mesure obtenue atteint le dixième de degré Celsius. La seconde électronique vise à réaliser une électronique compacte dans le but de réduire le nombre et la consommation des composants en intégrant les chaînes d'émission et de réception. Cette électronique est construite autour d'un radio-modem : ce composant combinant fonctionnalités RF et numériques est détourné de sa fonction principale de communication numérique dans le but d'interroger un résonateur SAW. Les contraintes associées aux constantes de temps, à l'isolation nécessaire et à l'accès à l'étage de réception d'un radio-modem nécessittent une étude préalable approfondie. L'algorithme développé pour ce composant a nécessité l'utilisation de techniques de traitement RADAR pour obtenir la température résultante d'un capteur différentiel bi-résonateurs. Cette électronique a permis de mesurer une température à 1 oC et de communiquer le résultat au travers d'une liaison numérique sans fil.

Le marché de l'électronique grand public est dominé par les systèmes embarqués du fait de leur puissance de calcul toujours croissante et des nombreuses fonctionnalités qu'ils proposent.Pour procurer de telles caractéristiques, les architectures des systèmes embarqués sont devenues de plus en plus complexes (pluralité et hétérogénéité des unités de traitements, exécution concurrente des tâches, ...).Cette complexité a fortement influencé leur programmabilité au point où rendre difficile la compréhension de l'exécution d'une application sur ces architectures.L'approche la plus utilisée actuellement pour l'analyse de l'exécution des applications sur les systèmes embarqués est la capture des traces d'exécution (séquences d'événements, tels que les appels systèmes ou les changements de contexte, générés pendant l'exécution des applications).Cette approche est utilisée lors des activités de test, débogage ou de profilage des applications.Toutefois, suivant certains cas d'utilisation, les traces d'exécution générées peuvent devenir très volumineuses, de l'ordre de plusieurs centaines de gigaoctets.C'est le cas des tests d'endurance ou encore des tests de validation, qui consistent à tracer l'exécution d'une application sur un système embarqué pendant de longues périodes, allant de plusieurs heures à plusieurs jours.Les outils et méthodes d'analyse de traces d'exécution actuels ne sont pas conçus pour traiter de telles quantités de données.Nous proposons une approche de réduction du volume de trace enregistrée à travers une analyse à la volée de la trace durant sa capture.Notre approche repose sur les spécificités des applications multimédia, qui sont parmi les plus importantes pour le succès des dispositifs populaires comme les Set-top boxes ou les smartphones.Notre approche a pour but de détecter automatiquement les fragments (périodes) suspectes de l'exécution d'une application afin de n'enregistrer que les parties de la trace correspondant à ces périodes d'activités.L'approche que nous proposons comporte deux étapes : une étape d'apprentissage qui consiste à découvrir les comportements réguliers de l'application à partir de la trace d'exécution, et une étape de détection d'anomalies qui consiste à identifier les comportements déviant des comportements réguliers.Les nombreuses expériences, réalisées sur des données synthétiques et des données réelles, montrent que notre approche permet d'obtenir une réduction du volume de trace enregistrée d'un ordre de grandeur avec d'excellentes performances de détection des comportements suspects. / The consumer electronics market is dominated by embedded systems due to their ever-increasing processing power and the large number of functionnalities they offer.To provide such features, architectures of embedded systems have increased in complexity: they rely on several heterogeneous processing units, and allow concurrent tasks execution.This complexity degrades the programmability of embedded system architectures and makes application execution difficult to understand on such systems.The most used approach for analyzing application execution on embedded systems consists in capturing execution traces (event sequences, such as system call invocations or context switch, generated during application execution).This approach is used in application testing, debugging or profiling.However in some use cases, execution traces generated can be very large, up to several hundreds of gigabytes.For example endurance tests, which are tests consisting in tracing execution of an application on an embedded system during long periods, from several hours to several days.Current tools and methods for analyzing execution traces are not designed to handle such amounts of data.We propose an approach for monitoring an application execution by analyzing traces on the fly in order to reduce the volume of recorded trace.Our approach is based on features of multimedia applications which contribute the most to the success of popular devices such as set-top boxes or smartphones.This approach consists in identifying automatically the suspicious periods of an application execution in order to record only the parts of traces which correspond to these periods.The proposed approach consists of two steps: a learning step which discovers regular behaviors of an application from its execution trace, and an anomaly detection step which identifies behaviors deviating from the regular ones.The many experiments, performed on synthetic and real-life datasets, show that our approach reduces the trace size by an order of magnitude while maintaining a good performance in detecting suspicious behaviors.

Avec le projet nommé " Dynalyser ", la société MEDICAPTEURS (France, Balma) et le laboratoire PRISSMH EA4561 (Université Paul Sabatier, Toulouse III) ont obtenu un financement du Conseil Régional Midi-Pyrénées (AO AGILE-IT 2012) pour mettre au point un nouveau système embarqué de mesure des pressions plantaires. Composé d'un système communiquant sans fil avec 9 capteurs isolés par pied il permet, à partir d'un smartphone, de retourner sous la forme consciente d'une mélodie sonore (3 sons) les informations de pressions plantaires. L'objectif de ce système est d'informer en temps réel (détection de zones d'hyperpression ou au con-traire, d'une absence de pression) et de conforter ou suppléer les moyens de détection naturelle pour un contrôle de l'appui plantaire dans des activités cliniques ou sportives. Dans un premier temps, une étude a permis de développer et de valider une méthode de placement des capteurs isolés à partir de la résultante des forces enre-gistrées par chaque capteur comparée à la force externe mesurée par une plateforme de forces. Les résultats ont mis en évidence des corrélations élevées entre les données de la plateforme de forces (centre des pressions et force verticale de réaction (Fz)) et celles du Dynalyser (barycentre des pressions et Fz), confirmant la pertinence et la nécessité d'un tel placement pour une analyse de certains paramètres biomécanique de la marche aussi pré-cise que celle permise par des systèmes éprouvés d'analyse du mouvement. Dans un second temps, le dévelop-pement de la partie logicielle permettant un retour sonore a été réalisé. Une étude vérifiant la faisabilité d'une modulation de l'appui plantaire grâce au biofeedback (BFB) a été menée sur une population saine. Reprenant le principe d'un retour en " Do majeur " (FB_Gruss) validé pour son intelligibilité, les résultats révèlent une diffi-culté des participants à s'approprier rapidement le FB_Gruss lors de la marche. Ces observations mettent en évi-dence la difficulté à traiter plusieurs informations dans un laps de temps très bref (le contact pied-sol). Par ail-leurs, une variabilité naturelle importante est observée sous certaines zones (partie latérale et surtout médiale de l'avant-pied). Elle est quelque fois supérieure à la marge de tolérance mise en place pour déclencher les sons et perturbe la quantification des appuis réussis. Les résultats obtenus sont prometteurs car ils révèlent, de plus, l'absence d'effet délétère du BFB sur la répartition des pressions plantaires ipsi et controlatérale. Dans un troi-sième temps, un modèle de prédiction des pics de pressions plantaires en fonction des paramètres spatio-temporels adimensionnels (Nombre de Froude, de Strouhal et de Modela-w) a été développé. Le but est d'obtenir un système autonome, capable de moduler une mélodie en comparant les valeurs de pics de pressions obtenues en temps réel à celles du modèle de référence. Les premiers résultats révèlent une prédiction élevée des pressions sous les zones qui servent au BFB (R² > 0.95). Ce modèle devra être validé pour être incorporé au logiciel afin d'obtenir un dispositif totalement autonome permettant d'informer en temps réel de la distribution des pressions plantaires dans un contexte clinique ou sportif. / With the project named " Dynalyser ", the MEDICAPTEURS Company (France, Balma) and the PRISSMH EA4561 laboratory (Paul Sabatier University, Toulouse III) have obtained a funding by the Midi-Pyrenees Regional Council (AO AGILE-IT 2012) to develop a new plantar pressure embedded biofeedback sys-tem. Consisting of a wireless communicating system with nine isolated sensors per foot, it aims to deliver infor-mation about plantar pressures in the conscious of a sound melody (3 sounds), by means of a smartphone. The system's aim is to reinforce or supplement the intrinsic (i.e., natural) plantar pressure feedback by informing in real time (detection of hyperpressure area or, on the contrary, absence of pressure) in order to improve the con-trol of walking in clinical or sporting activities. First, a study allowed to develop and validate a method to locate isolated sensors by means of a force platform. Results revealed high correlations between the force platform data (center of pressure and vertical ground reaction force (vGRF)) and the Dynalyser data (barycenter of pressure and vGRF), confirming the relevance and necessity of such method for an analysis as precise as motion analysis systems of certain biomechanical parameters of walking. Second, the development of the auditory biofeedback (BFB) system was realized. A study verifying the feasibility of a modulation of plantar support using BFB was conducting on a healthy population. Following the principle of a "C-major" return (FB_Gruss) validated for its intelligibility, the results revealed a difficulty for the participants to appropriate quickly the FB_Gruss during walking. These observations, highlight the difficulty of processing several information in a very short period of time (the foot-to-ground contact). On the other hand, a significant natural variability is observed under two areas (lateral and especially medial part of the forefoot). It is sometimes superior to the tolerance range set up to trigger sounds and disrupts the quantification of successful supports. The results obtained are promising because they also reveal the absence of deleterious effect of the BFB on the distribution of ipsi and contralateral plantar pres-sures. Third, a model of prediction of plantar pressure peaks as a function of the dimensionless spatio-temporal parameters (Froude number, Strouhal and Modela-w) was developed. The aim is to obtain an autonomous system capable of modulating a melody by comparing the peak pressure values obtained in real time with those of the reference model. The first results reveal a high prediction of the pressures under the three areas that serve the BFB (R² > 0.95). This model must be validated to be incorporated into the software in order to obtain a totally autonomous device allowing to inform in real time the distribution of the plantar pressures in a clinical or sports context.