Une stratégie de commande tolérante aux fautes active pour des systèmes suractionnés est présentée dans ce mémoire de thèse. Elle est formée de 4 étapes : détection rapide du défaut, activation d’une commande tolérante aux fautes qui assure le suivi de trajectoire du système en présence du défaut, localisation précise du défaut et finalement reconfiguration du système en déconnectant ou en bloquant dans une position déterminée, le composant défaillant. Cette stratégie de commande s’applique à un véhicule autonome de type 2WS4WD : lorsque la déviation latérale du véhicule dépasse un seuil de sécurité dynamique, une commande tolérante aux fautes basée sur la génération de références est activée. Son objectif est d’assurer la redistribution des tâches au niveau des actionneurs sains, non utilisés en fonctionnement normal, pour compenser l’effet du défaut. La loi de commande est élaborée en utilisant la théorie de Lyapunov et la technique du backstepping et calculée par deux boucles interconnectées. La première boucle, appelée boucle externe, calcule les nouveaux objectifs locaux nécessaires pour atteindre l’objectif global du système. La second boucle, appelée boucle interne, calcule la loi de commande nécessaire pour assurer le suivi des objectifs locaux élaborés dans la boucle externe. Un algorithme de localisation précise de défaut est ensuite appliqué pour déterminer le composant défaillant. Une fois ce composant identifié, le système suractionné est reconfiguré en utilisant uniquement les composants sains. Les algorithmes de diagnostic et de commande tolérante aux fautes sont finalement validés en utilisant une co-simulation des logiciels CarSim et Matlab/Simulink. / An active fault tolerant control (AFTC) strategy for overactuated systems is presented in this thesis. It consists of four steps: detecting very quickly the fault, activating a fault tolerant control law for preserving the stability of the overactuated system in presence of the fault, localizing precisely the faulty component, and finally reconfiguring the system by maintaining only the healthy components. This strategy is applied to an autonomous 2WS4WD vehicle : when the vehicle’s lateral deviation exceeds a dynamic security threshold, the fault tolerant control algorithm is activated. It is based on a dynamic reference generation and consists in controlling the redundant actuators which are not used in normal behavior. The control law used for this task is designed using Lyapunov theory and backstepping technique. It consists of two interconnected control loops: an outer loop and an inner loop. The outer loop ensures the computation of dynamic references necessary for preserving the trajectory tracking of the vehicle. The inner loop ensures the tracking of the dynamic references generated in the outer loop. A fault isolation module is then applied to determine precisely the faulty component. Once it is isolated, the system is controlled by using only healthy components. The diagnosis and fault tolerant control schemes are validated on a realistic vehicle model using a co-simulation between CarSim and Matlab/Simulink softwares.

Les travaux de ma thèse ont pour but la définition d’une démarche modulaire permettant le diagnostic des défauts liés conjointement aux dynamiques continue et discrète des systèmes dynamiques hybrides, en particulier les Systèmes Continus à Commande Discrète. L’objectif est de construire un modèle de diagnostic appelé, diagnostiqueur, permettant de diagnostiquer à la fois les défauts paramétriques et discrets des systèmes dynamiques hybrides de grande taille. Les défauts paramétriques sont caractérisés par un changement anormal de certains paramètres tandis que les défauts discrets sont caractérisés par un changement inattendu du mode discret du système. Cette démarche est basée sur une modélisation modulaire orientée composant permettant de tenir compte de la nature composite du système. Elle tient compte également des interactions entre les dynamiques discrètes et continue. Cette démarche est développée à travers deux approches. Une approche de diagnostique modulaire dont le diagnostiqueur est construite à partir du modèle global de système, et une approche de diagnostique décentralisé dont d’un ensemble des diagnostiqueurs locaux sont construits à partir des modèles locaux des composants système. Ces deux approches sont validées en utilisant un convertisseur à trois cellules. / This thesis aims at defining a diagnosis approach for hybrid dynamic systems in particular Discretely Controlled Continuous Systems. The goal is to build a diagnosis module called, diagnoser, able to diagnose parametric and discrete faults. Parametric faults affect the system continuous dynamics and are characterized by abnormal changes in some system parameters; whereas discrete faults affect the system discrete dynamics and are considered either as the occurrence of unobservable events and/or reaching discrete fault modes. This approach is based on modular modeling in order to take into account the interactions between continuous and discrete dynamics. This approach is developed through two approaches. A modular diagnosis approach in which the diagnoser is built based on the use of the global model and a decentralized approach in which a set of local diagnosers are built based on the local model of the system components. The three-cell converter is used to demonstrate the efficacy of these two approaches.

A l’heure des développements technologiques majeurs dans le domaine de la radiochirurgie, il est important de s’intéresser aux précisions des différentes options qui se présentent lors de la préparation d’un traitement. Dans ce travail, ce sont les systèmes de contention utilisés pour les traitements radiochirurgicaux délivrés à l’aide de l’appareil Gamma Knife qui sont au centre de l’attention.Il a été mis en évidence par les études cliniques et expérimentales que chaque système de contention présente une capacité différente à maintenir l’immobilité du patient au cours du traitement. Les analyses des différentes mesures effectuées ont permis d’établir la capacité de chaque système à garantir une correspondance entre les coordonnées théoriques et effectives du traitement, ce qui se traduit par la précision attribuable à chaque système. Les points forts et les faiblesses de chacun des systèmes de contention ont été mis en évidence. Dans certainessituations, il a été possible de proposer une méthode permettant de corriger en totalité ou en partie les imprécisions observées. Ceci n’est néanmoins pas possible actuellement pour tous les systèmes de contention. Cela a permis d’établir une proposition d’algorithme décisionnel afin d’aider au choix du système de contention optimal à utiliser en fonction de la situation rencontrée. Enfin, ce travail met en évidence les limitations de chaque technique et énonce des pistes d’amélioration et de développement futur dans ce domaine. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse, une planification énergétique pour les véhicules routiers sans conducteur (URV) suractionnés avec une configuration de direction redondante est proposée. En effet, des indicateurs sur la géométrie de la route, la redondance des actionnements, le profil de vitesse optimal et le mode de conduite sont identifiés pour chaque segment de la trajectoire de l'URV. Ainsi, un modèle d'estimation de la consommation d'énergie d'un véhicule à conduite autonome suractivé est développé. Deux méthodes de modélisation de la consommation d'énergie sont considérées. La première méthode est basée sur un modèle analytique de consommation d’énergie prenant en compte le degré de steerabilité, le degré de mobilité et le degré de redondance de l’actionnement. La deuxième méthode utilisée pour la modélisation de la consommation d’énergie repose sur la méthode qualitative d’apprentissage des données, à savoir: le système d’inférence neuro-floue adaptatif (ANFIS). Cette dernière a été prise en compte en cas de présence de paramètres dynamiques inconnus de l'URV et d'incertitudes sur son interaction avec l'environnement. La validation de l'estimation de la consommation d'énergie a été appliquée à un véhicule autonome réel appelé RobuCar. La stratégie de planification énergétique a été élaborée selon deux approches: discrète et continue. L’approche discrète repose sur la construction d’un digraphe d’énergie avec toutes les configurations possibles tenant compte des contraintes cinématiques et dynamiques basées sur une configuration de grille 3D, selon: la vitesse, la longueur de l’arc, le mode de conduite. Dans ce graphe orienté pondéré, les arêtes décrivent l’énergie consommée par l’UAV le long d’un segment de la trajectoire. Un algorithme d'optimisation est appliqué sur le digraphe pour obtenir une solution globale optimale combinant le mode de conduite, la consommation électrique et le profil de vitesse de l'URV. L'approche continue repose sur une stratégie d'optimisation multicritères utilisant des algorithmes génétiques (NSGA-II). Ensuite, un chemin réel est considéré et modélisé en utilisant deux combinaisons géométriques lisses: la première est {lignes, clothoïdes et arcs}, et la seconde est {lignes et courbes de Hodograph de Pythagore}. La stratégie de planification énergétique est ensuite appliquée aux chemins générés. En outre, un graphique dirigé est construit pour synthétiser le profil de vitesse optimal qui minimise la consommation d'énergie globale tout en prenant en compte tous les modes de conduite. Les résultats sont comparés à ceux donnés par la méthode de programmation dynamique pour une optimisation globale hors ligne. / In this thesis, an energy planning for over-actuated unmanned road vehicles (URVs) with redundant steering configuration is proposed. In fact, indicators on the road geometry, the redundancy of actuation, the optimal velocity profile and the driving mode are identified for each segment of the URV's trajectory. Thus, a power consumption estimation model of an over-actuated autonomous driving vehicle is developed. Two methods for power consumption modeling are considered. The first method is based on an analytic model of power consumption, taking into account the degree of steerability, degree of mobility and degree of actuation redundancy. The second method used for power consumption modeling based on data-learning qualitative method namely: Adaptive Neuro Fuzzy Inference System (ANFIS). The latter has been considered in case of the presence of unknown dynamic parameters of the URV and uncertainties about its interaction with the environment. Validation of the estimation of the power consumption has been applied of real autonomous vehicle called RobuCar. Energy planning strategy has been built using two approaches, discrete and continuous. The discrete approach depends on a construction of an energy digraph with all feasible configurations taking into account kinematic and dynamic constraints based on a 3D grid map setup, according to: velocity, arc-length, driving mode. In this weighted directed graph, the edges describe the consumed energy by the UAV along a segment of a trajectory. An optimization algorithm is applied on the digraph to get a global optimal solution combining driving mode, power consumption and velocity profile of the URV. The continuous approach is based on a multi-criteria optimization strategy using genetic algorithms (NSGA-II). Then a real road path is considered and modeled by using two smooth geometrical combinations: the first one is {lines, clothoids and arcs}, and the second one is {lines and Pythagorean Hodograph (PH) curves}. The energy planning strategy is then applied to the generated paths. Also, a directed graph is built to synthesis the optimal velocity profile that minimizes the overall energy consumption while accounting for all driving modes. Results are compared with those given by the dynamic programming method for global offline optimization.

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

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

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

Titre de l'écran-titre (visionné le 15 mai 2023) / La métagénomique virale a permis l'identification de milliers de nouvelles séquences de phages dans une variété d'écosystèmes. Leur caractérisation est limitée par leur grande diversité, puisque la majorité des nouvelles séquences virales ne ressemble à aucun phage connu et répertorié. Pour faire face à ce défi, de nouveaux outils de la bio-informatique doivent être développés permettant de mieux comprendre les interactions phages-bactéries et ainsi élucider le rôle des phages dans leur écosystème. Une approche pour étudier les interactions phages-bactéries repose sur l'exploitation des systèmes CRISPR-Cas. Chez les bactéries et les archées, ces systèmes servent de mécanismes de défense contre le matériel génétique envahisseur comme le génome des phages. Grâce à de courtes séquences appelées espaceurs, incorporées dans leur locus CRISPR, les bactéries qui portent ce système peuvent reconnaître rapidement un génome de phage, le couper et ainsi bloquer l'infection. Les espaceurs sont archivés et continuent d'être ajoutés au fil des infections, rendant le locus CRISPR très dynamique. Pour les analyses bio-informatiques, les espaceurs ont plusieurs utilités, notamment pour le typage de souches bactériennes et pour la prédiction des hôtes bactériens de séquences virales. Cependant, les quelques outils existants ont été développés avant l'accélération massive dans la découverte de nouvelles séquences de phages offerte par la métagénomique virale. Ainsi, beaucoup de travail répétitif, manuel et non standardisé était requis pour utiliser les espaceurs CRISPR dans le contexte d'études de métagénomique. Les deux premiers chapitres de cette thèse sont dédiés au développement d'outils bio-informatiques exploitant les loci CRISPR. Dans un premier temps, le logiciel CRISPRStudio a été développé pour automatiser la création de figures représentant les loci CRISPR. Ce logiciel offre une grande polyvalence, tout en accélérant la production de figures. Dans un deuxième temps, un second logiciel a été créé pour prédire les hôtes bactériens des phages. Celui-ci s'appuie sur une base de données d'espaceurs de plus de 11 millions de séquences et d'une série de critères fondés sur la biologie des systèmes CRISPR-Cas pour sélectionner l'hôte bactérien le plus probable d'un phage. Cet outil a permis d'améliorer les performances, la standardisation et la facilité d'utilisation des approches de prédiction de l'hôte utilisant les espaceurs CRISPR. Puis, les deux outils ont été mis à profit dans le troisième chapitre pour l'étude spécifique des interactions phages-bactéries entre Escherichia coli et ses phages, dans le contexte du microbiote intestinal. La caractérisation des loci CRISPR a permis d'élucider le rôle probable du système CRISPR-Cas chez cette espèce, soit un mécanisme anti-prophages. À ma connaissance, il s'agit également de la première étude identifiant une aussi grande proportion des cibles des espaceurs, en trouvant l'origine de 60 % des proto-espaceurs. / Viral metagenomics has allowed the identification of thousands of new phage sequences in various ecosystems. Yet, their characterization is still limited by their great diversity, as the majority of new viral sequences resembles no known phages in reference databases. To tackle this challenge, new bioinformatic tools are needed to better understand phage-bacteria interactions and to elucidate the role of phages in their ecosystem. One approach to study phage-bacteria interactions consists in taking advantage of CRISPR-Cas systems. In bacteria and archaea, these systems act as defense mechanisms against invading genetic material, such as phage genomes. Thanks to short sequences called spacers incorporated in their CRISPR locus, bacteria that carry this system can rapidly recognize a phage genome and block its infection, analogous to an adaptive immune system. Spacers are archived and continue to be added upon phage infection, which makes the CRISPR locus highly dynamic. In bioinformatics analyses, spacers can be utilized to perform strain typing and to predict the bacterial hosts of phages. However, the few existing tools were developed before the metagenomics era and the massive discovery of new phage sequences. Thus, exploiting CRISPR loci for viral metagenomics projects requires repetitive, manual, and non-standardized work. The first two chapters of this thesis are dedicated to developing bioinformatics tools exploiting CRISPR loci. First, a software was developed to automatize the creation of figures representing CRISPR loci. CRISPRStudio offers versatility, is user-friendly and accelerates the figure production. Second, another software was created to predict the bacterial hosts of phages. It relies on a spacer database containing more than 11 million sequences and on a set of criteria inspired by CRISPR-Cas biology to select the most likely bacterial host for a phage genome. This tool improved the performances, the standardization, and the ease of use of host prediction approaches using CRISPR spacers. In the third chapter, the two tools were used to specifically study phage-bacteria interactions between Escherichia coli and its phages, present in the gut microbiota. CRISPR characterization allowed us to uncover the probable role of the CRISPR-Cas system in this species, being an anti-prophage mechanism. To my knowledge, this is the first study that identified a large proportion of spacer targets, by finding the origin of 60% of the protospacers.

Les bactéries sont continuellement exposées à un danger, la prédation par des bactériophages. Pour se défendre, elles ont développé une grande variété de mécanismes. Parmi ceux-ci, on retrouve CRISPR-Cas (« clustered regularly interspaced palindromic repeats »), un système adaptatif que possèdent environ 45% des bactéries. Une caractéristique unique du système CRISPR-Cas est qu’il constitue en quelque sorte la mémoire de l’hôte. Par exemple, le système peut emmagasiner des petits fragments d’un génome viral, appelés espaceurs, et les introduire dans son CRISPR. Cette mémoire lui permet de se défendre contre une réinfection par le même virus ou un virus hautement apparenté. Par contre, malgré que l’acquisition de nouveaux espaceurs semble fréquente dans la nature, ce phénomène n’est que très rarement observé en conditions de laboratoire. Néanmoins, quelques bactéries font exception à la règle et l’une d’entre elles est Streptococcus mutans. Dans le cadre de cette étude, l’interaction entre la souche S. mutans P42S et le bactériophage virulent M102AD a été analysée en détail. De plus, certaines applications potentielles du système CRISPR-Cas ont également été approfondies. Le premier objectif de cette thèse était de caractériser le système CRISPR-Cas de S. mutans P42S au niveau moléculaire et de déterminer son rôle dans les interactions phage-bactérie. Le deuxième objectif était d’établir le potentiel de la protéine Cas9 de S. mutans P42S (SmutCas9) comme nouvel outil d’édition génomique. S. mutans P42S possède un système CRISPR-Cas de type II-A. Bien que ce type de système soit probablement le plus étudié, celui de S. mutans P42S présente plusieurs caractéristiques uniques lui permettant de se démarquer. En effet, ce dernier reconnaît un PAM différent de ce qui était auparavant connu pour cette espèce bactérienne, l’acquisition simultanée de multiples espaceurs semble fréquente, ce qui est probablement dû au phénomène de « priming ». Malgré le rôle de CRISPR-Cas dans la défense antivirale, S. mutans P42S dispose d’autres mécanismes de défense contre les phages. Des cellules mutantes sont résistantes aux phages en empêchant l’adsorption de particules virales à la cellule ont notamment été observées. D'autres mécanismes sont assurément impliqués dans la défense antivirale de S. mutans. Finalement, SmutCas9 s’est montrée efficace dans l’édition de génomes viraux et elle apparaît comme une candidate à explorer pour cette application. / Bacteria are exposed to the constant threat of viral predation. To defend themselves, bacteria have developed a wide variety of different mechanisms. One of these mechanisms is CRISPR-Cas (clustered regularly interspaced palindromic repeats), an adaptive immune mechanism found in approximately 45% of bacteria. A unique feature of CRISPR-Cas systems compared to other antiviral defence mechanisms is that it has a memory. The system is capable of remembering previous viral encounters and protects the bacterial host from re-infection by the same or highly-related viruses. This memory is due to the acquisition of virus-derived genome fragments called spacers. Despite common acquisition of novel spacers in nature, and thereby the emergence of new immunity, acquisition of new spacers under laboratory conditions has been rarely observed. One of the few exceptions is Streptococcus mutans. In this study, the interactions between S. mutans strain P42S and its virulent bacteriophage M102AD are investigated in detail. In addition, possible applications of the CRISPR-Cas system are analysed. The first objective of this thesis was to characterise the CRISPR-Cas system of S. mutans P42S on the molecular level and to determine its role in antiviral defence. The second objective was to determine the potential of the Cas9 protein of S. mutans P42S (SmutCas9) in genome editing. S. mutans P42S possesses a type II-A CRISPR-Cas system. Although this is arguably the best studied system, the one found in the strain S. mutans P42S has several features that makes it stand out. It recognises a PAM different from what was known for this species, multiple spacer acquisitions are frequent, and this appears to be partially due to priming. Although CRISPR-Cas plays a role in antiviral defence, there are additional antiviral defence mechanisms that protect S. mutans against phages. Adsorption resistance is one of them, although additional unidentified antiviral defence mechanisms are likely involved. Finally, SmutCas9 has been shown functional in editing of viral genomes and appears to be a candidate for human genome editing.

Les communautés Inuit du Nunavik (Québec, Canada) dépendent des énergies fossiles pour la production d'électricité et le chauffage des bâtiments. Ce projet de maîtrise a comme objectif principal d'évaluer le potentiel d'intégrer des systèmes photovoltaïques (PV) pour décarboner les bâtiments résidentiels au Nunavik. Les deux premiers chapitres de ce mémoire analysent la demande énergétique des logements sociaux, combinant une étude quantitative de données réelles de consommation électrique avec une analyse qualitative d'entrevues semi-dirigées auprès d'occupants à Quaqtaq, Nunavik. Ces travaux servent ultimement à combler le manque de données concernant la consommation énergétique dans les communautés Inuit en fournissant des informations pertinentes pour améliorer les simulations énergétiques et faciliter l'intégration de solutions énergétiques adaptées. Le troisième chapitre présente ensuite l'optimisation multiobjectif de deux systèmes solaires modélisés dans des conditions environnementales nordiques. Un système PV indépendant ainsi qu'un système PV intégré à l'enveloppe du bâtiment ont été simulés. Les résultats montrent que des systèmes photovoltaïques de taille modérée peuvent couvrir une part significative, soit au-delà de 30%, de la demande d'électricité annuelle des logements sociaux, sans considérer de stockage ou d'échange de surplus avec le micro-réseau. La portée scientifique de ce projet s'inscrit dans la transition énergétique de l'Arctique en offrant une méthodologie de dimensionnement et de positionnement d'équipement de production d'énergie solaire pour limiter la dépendance aux énergies fossiles et accroître la sécurité énergétique du secteur résidentiel dans les communautés nordiques isolées. Les limites de la recherche doivent cependant être reconnues, notamment la quantité restreinte de données et la variabilité des préférences individuelles des occupants. Les travaux futurs devraient élargir la recherche en augmentant le nombre de bâtiments étudiés et en incluant davantage de communautés. L'optimisation des systèmes en incluant la modélisation de stockage et d'échange avec le réseau devrait être priorisée afin d'évaluer la limite du potentiel de l'énergie solaire au Nunavik. L'étude du couplage du solaire avec d'autres sources d'énergie renouvelable, telles que l'hydroélectricité ou l'éolien, devrait aussi être approfondie. Enfin, en matière de développement énergétique au Nunavik, il est essentiel d'adopter une approche intégrée, participative et inclusive envers les communautés locales. / The Inuit communities in Nunavik (Québec, Canada) rely on fossil fuels for electricity generation and heating. This master's thesis aims to assess the potential of integrating photovoltaic (PV) systems to decarbonize residential buildings in Nunavik. The first two chapters of this thesis analyze the energy demand of social houses, combining a quantitative study of real electrical consumption data with a qualitative analysis of semi-structured interviews with occupants in Quaqtaq, Nunavik. These efforts ultimately address the lack of data on energy consumption in Inuit communities by providing relevant information to improve energy simulations and facilitate the integration of tailored energy solutions. The third chapter presents the multi-objective optimization of two solar systems modeled in northern environmental conditions. An independent PV system and a building-integrated system PV were simulated. The results show that moderately sized photovoltaic systems can cover a significant portion, over 30%, of the annual electricity demand for social housing, without considering storage or surplus exchange with the microgrid. The scientific contribution of this project lies in the energy transition of the Arctic by offering a methodology for sizing and positioning solar energy production equipment to reduce the dependence on fossil fuels and increase the energy security in the residential sector of isolated northern communities. The implications extend beyond academia, providing tangible solutions for decision-makers and stakeholders involved in the northern energy transition. However, research limitations, including the restricted amount of data and the variability of individual occupant preferences, must be acknowledged. Future work should broaden the research by increasing the number of studied buildings and including more communities. Optimization of systems, incorporating storage modeling and exchange with the grid, should be prioritized to assess the full potential of solar energy in Nunavik. The study of coupling solar with other renewable energy sources, such as hydroelectricity or wind power, should also be explored. Finally, in the context of energy development in Nunavik, it is essential to adopt an integrated, participative, and inclusive approach with local communities.