Dans l'ingénierie avionique, les tests d'intégration sont cruciaux : ils permettent de s'assurer du bon comportement d'un avion avant son premier vol, ils sont nécessaires au processus de certification et permettent des tests de non-régression à chaque nouvelle version d'un système, d'un logiciel ou d'un matériel. La conception d'un test d'intégration coûte cher car elle mêle la réalisation de la procédure, le paramétrage de nombreux outils couplés au banc de test ainsi que l'adressage des interfaces du système testé. Avec des procédures de test écrites en langage naturel, l'interprétation des instructions d'un test lors de son rejeu manuel peut provoquer des erreurs coûteuses à corriger, en raison notamment des actions précises à entreprendre lors de l'exécution d'une instruction de test. La formalisation et l'automatisation de ces procédures permettraient aux équipes de testeurs de se concentrer sur la réalisation de nouveaux tests exploratoires et sur la mise au point de tels systèmes au plus tôt. Or, un système avionique est composé de plus d'une centaine de systèmes embarqués, chacun concernant des compétences spécifiques. Notre contribution est alors un framework orchestrant les langages de test dédiés à l'intégration de systèmes avioniques dans une vision Agile. Nous introduisons tout d'abord le concept de langage spécifique à un domaine (Domain Specific Language ou DSL) et montrons comment nous l'utilisons pour la formalisation des procédures de test dédiées à un type de système particulier. Ces langages devront pouvoir être utilisés par des testeurs avioniques qui n'ont pas forcément de compétences en informatique. Ils permettent l'automatisation des tests d'intégration, tout en conservant l'intention du test dans la description des procédures. Puis, nous proposons l'approche BDD (Behavior Driven Development) pour valider l'intégration de systèmes par scénarios comportementaux décrivant le comportement attendu de l'avion. Nous nommons Domain Specific Test Languages (DSTL) les langages utilisés par les testeurs. A chaque système (ATA ou Air Transport Association of America) correspond un DSTL métier. Un premier DSTL concernant les systèmes de régulation de l'air a été développé entièrement en tant que preuve du concept à partir de procédures existantes pseudo-formalisées. L'expérimentation s'est poursuivie avec les calculateurs standardisés IMA (Integrated Modular Avionic) pour lesquels les procédures de test sont décrites en langage naturel et sont donc non automatisables. A partir d'un corpus de procédures, nous proposons un premier processus empirique d'identification des patrons de phrases peuplant un DSTL. Le corpus fourni est composé de dix procédures totalisant 108 chapitres de test et 252 tests ou sous-tests comportant au total 3708 instructions pour 250 pages Word. Rendre agile ces tests d'intégration consiste à proposer une approche collaborative pour formaliser un DSTL que ce soit pour les patrons de phrase de la grammaire concrète ou pour les patrons de transformations vers des langages exécutables. / In avionics engineering, integration tests are crucials: they allow to ensure the right behavior of an airplane before his first flight, they are needed to the certification process and they allow non-regression testing for each new version of a system, of a software or of a hardware. The design of an integration test is expensive because it involves the implementation of the procedure, the configuration of tools of the bench and the setup of the interfaces of the system under test. With procedure written in natural language, the interpretation of statements of a test during the manual execution can lead to mistakes that are expensive to fix due to accurate actions needed to perform a statement. The formalization and the automation of those procedures allow testers team to focus on the implementation of new test cases. First of all, we introduce Domain Specific Language (DSL) and show how we use it to formalize tests procedures dedicated to a kind of system. Those languages should be able to be use by avionic testers which do not necessarily have programming skills. They allow test automation, while maintaining test intention in the test description. Then, we proposed a BDD (Behavior Driven Development) approach to validate the integration of systems thanks to behavioral scenarios describing the expected behavior of the airplane. Our contribution is a framework which orchestrate DSLs dedicated to integration test of avionic systems in an Agile vision. We named Domain Specific Test Languages (DSTL), languages used by expert testers. For each system (ATA ou Air Transport Association of America) corresponds a DSTL business. A first DSTL about the validation of airflow control systems has been developed as a proof of concept from existing procedures pseudo-formalized. The experimentation has been continued with IMA (Integrated Modular Avionic) calculators for which test procedures are written in natural language and thus are not automatable. From a corpus of procedures, we propose a first empirical process to identify sentence patterns composing the DSTL. The corpus provided is composed by ten procedures totaling 108 test chapters and 252 tests or subtests involving 3708 statements for a total of 250 Word pages. Make Agile integration tests in this context consist to propose a collaborative approach to formalize a DSTL and to integrate it in the orchestration framework to generate automatically the glu code.

De nos jours, les systèmes embarqués sont les éléments Cœurs des Systèmes avioniques. De plus en plus de fonctions sont intégrées et de ce fait leurs complexités croît. Afin que cette complexité puisse rester maîtrisable, l’architecture des systèmes avionique a également évolué de façon à minimiser les interactions entre les équipements. Cette évolution des Architectures a introduit, au niveau avionique, la notion de réseau largement répandue dans le monde dit « consumer ». Nos travaux de Recherche ont pour but d’accompagner cette évolution architecturale en minimisant l’impact des ruptures technologiques qu’il a été nécessaire d’introduire afin de supporter cette évolution. Pour cela, nous proposons une approche qui va nous permettre de dé-risquer chaque nouvelle brique technologique avant son introduction au sein des Systèmes Embarqués. Cette introduction pourra donc être réalisée en ayant au préalable défini les conditions ainsi que les limites d’utilisation de chaque nouvelle technologie, qu’elle soit matérielle et/ou logicielle. / Nowadays, Embedded Systems are key elements of the Avionic Systems. As more and more functions are integrated, their complexity goes increasing. In order to keep mastering this complexity, Avionic Systems Architecture has also evolved so as to minimize the interactions between equipment. This evolution of the Architectures introduced, at the avionic level, the notion of network widely spread in the consumer domain. Our research works aim at accompanying this architectural evolution by minimizing the impact of the technological breakthroughs which were necessary to introduce to support this evolution. For that purpose, we propose an approach which is going to allow us to derisk every new technological brick before its introduction within the Embedded Systems. This introduction can thus be performed by having beforehand defined the conditions as well as the limits of use of every new technology that it is Hardware and/or Software.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne le développement théorique et la validation expérimentale d'algorithmes de fusion de données originaux pour mini-drones, dépassant les limitations des estimateurs communément utilisés (e.g. le Filtre de Kalman Etendu ou les filtres particulaires) et pouvant être implémentés aisément et efficacement dans une avionique bas-coûts. Nous proposons tout d'abord des observateurs invariants "génériques'', préservant les symétries naturelles du système physique. Ces observateurs fusionnent les mesures de capteurs bon marché usuels (tels que les capteurs inertiels, magnétomètres, GPS ou baromètres) afin d'estimer avec précision l'état de l'appareil (angles d'attitude et de cap, vitesse et position) sans modèle dynamique de l'engin. Ils possèdent un large domaine de convergence; ils sont également faciles à régler et très économiques en temps de calcul. Puis nous développons des observateurs "spécifiques'', adaptés au type de véhicule aérien considéré, en l'occurence un mini-quadrotor. Basés sur un modèle physique tenant compte de la traînée de rotor, les observateurs présentés estiment la vitesse du quadrotor à partir de mesures uniquement inertielles, menant à un contrôle en vitesse de l'appareil. Cette approche est validée par des vols stabilisés autonomes. Enfin, nous présentons en détail l'intégration du système avionique bas-coûts utilisé, composé de capteurs "bruts'' et d'un microcontrôleur sur lequel sont implémentés les observateurs précédents. Nous validons ces algorithmes en comparant leurs estimations avec celles fournies par un produit commercial coûteux, mettant ainsi en évidence leur excellent rapport "qualité/prix''.

Le domaine avionique a été transformé par l'apparition des architectures modulaires intégrées (IMA). Celles-ci définissent un support d'exécution et de communication standard et mutualisé afin de réduire la complexité de l'architecture physique. Cependant, du fait du partage des ressources, cette démarche introduit une plus grande complexité lors de la conception et de l'intégration des applications ce qui implique d'assister les concepteurs avec des outils dédiés. La présente thèse contribue à cet effort en se focalisant sur deux problèmes d'allocation de ressources : i) le problème de l'ordonnancement multiprocesseur de tâches strictement périodiques et ii) le problème du routage des messages échangés entre les fonctions avioniques. Le premier problème a été formalisé sous la forme d'un programme linéaire en nombres entiers afin de garantir un potentiel maximum d'évolution sur les durées d'exécutions des traitements. L'inefficacité d'une approche exacte pour des instances de grande taille, nous a conduit à développer une heuristique originale s'inspirant de la théorie des jeux couplée avec un algorithme multi-start. Le routage est formalisé sous la forme d'un problème d'optimisation sur la charge maximum des liens. Deux propositions sont faites pour le résoudre, l'une, exacte, est basée sur une formulation nœud-lien, et la seconde est une heuristique à deux niveaux basé sur une formulation lien-chemin. Mots-Clés en français : ordonnancement temps-réel, optimisation, systèmes avioniques, architectures modulaires intégrées, tâches strictement périodique, théorie de jeux, routage des liens virtuels

Le travail effectué au cours de cette thèse tente d’apporter une solution algorithmique à la problématique de l’estimation de l’état d’un mini-drone en vol qui soit compatible avec les exigences d’embarquabilité inhérentes au système. Il a été orienté vers les méthodes d’estimation non linéaire à base de modèles. Les algorithmes d’estimation, d’état ou de paramètres, et de contrôle apparaissent primordiaux, lorsque la technologie des capteurs et des actionneurs, pour des raisons de coût et d’encombrement essentiellement, ne permet pas de disposer de capacités illimitées. Ceci est particulièrement vrai dans le cas des micro- et des mini-drones. L’estimation permet de fusionner en temps réel les informations imparfaites provenant des différents capteurs et de fournir une estimation, par exemple de l’état du drone (orientation, vitesse, position) au calculateur embarqué où sont implémentés les algorithmes de commande de l’engin. Ce contrôle de l’appareil doit garantir sa stabilité en boucle fermée quelque soit l’ordre de consigne fourni directement par l’opérateur ou par tout système automatique de gestion du vol et assurer que celle-ci soit correctement recopiée. Estimation et commande participent donc grandement au succès de toute mission. Une dimension extrêmement importante qui a conditionné les travaux entrepris tout au long de cette thèse concerne la capacité d’emport des mini-drones que nous considérons. En effet, celle-ci, relativement limitée, et couplée à la volonté de ne pas grever les budgets de développement de tout mini-drone, autorise uniquement l’intégration de matériels dits bas-coûts. Malgré les progrès significatifs de la miniaturisation et l’augmentation continuelle des capacités de calcul embarqué (loi de Moore), les mini-drones d’intérêt considérés ici n’embarquent donc que des capteurs aux performances limitées dans un contexte où cette catégorie d’engins autonomes est amenée à être de plus en plus fréquemment exploitée pour remplir des missions elles-mêmes toujours plus nombreuses. Celles-ci requièrent notamment que de tels drones puissent de manière sûre s’insérer et partager l’espace aérien civil moyennant le passage d’une certification de leur vol au même titre que pour les avions de transport des différentes compagnies aériennes. Dès lors, face à cet enjeu de sécurisation des vols de mini-drones, la consolidation de la connaissance de l’état de l’aéronef par des techniques d’estimation devient un tâche essentielle pour en assurer le contrôle, y compris en situations dégradées (pannes capteurs, perte occasionnelle de signaux, bruit et perturbations environnantes, imperfections des moyens de mesure, etc). Tenter de répondre à cet enjeu conduit naturellement le chercheur à s’attaquer à des problèmes relativement nouveaux, en tout cas pas forcément aussi proches de ceux qui se posent dans le secteur de l’aéronautique civile ou militaire, où le système avionique est sans commune mesure avec celui sur lequel nous avons travaillé dans cette thèse. Ce travail à tout d’abord consisté à définir une modélisation dynamique descriptive du vol des mini-drones étudiés, suffisamment générique pour être appliquée à différents types de minidrones (voilure fixe, multirotor, etc). Par la suite, deux algorithmes d’estimation originaux, dénommés IUKF et -IUKF, exploitant ce modèle, ont été développés avant d’être testés en simulation puis sur données réelles pour la version -IUKF. Ces deux méthodes transposent le cadre générique des observateurs invariants au cas de l’estimation non linéaire de l’état d’un système dynamique par une technique de type Unscented Kalman Filter (UKF) qui appartient à la classe plus générale des algorithmes de filtrage non linéaire de type Sigma Point (SP). La solution proposée garantit un plus grand domaine de convergence de l’estimé que les techniques plus traditionnelles. / This thesis presents the study of an algorithmic solution for state estimation problem of unmanned aerial vehicles, or UAVs. The necessary resort to multiple miniaturized low-cost and low-performance sensors integrated into mini-RPAS, which are obviously subjected to hardspace requirements or electrical power consumption constraints, has led to an important interest to design nonlinear observers for data fusion, unmeasured systems state estimation and/or flight path reconstruction. Exploiting the capabilities of nonlinear observers allows, by generating consolidated signals, to extend the way mini-RPAS can be controlled while enhancing their intrinsic flight handling qualities.That is why numerous recent research works related to RPAS certification and integration into civil airspace deal with the interest of highly robust estimation algorithm. Therefore, the development of reliable and performant aided-INS for many nonlinear dynamic systems is an important research topic and a major concern in the aerospace engineering community. First, we have proposed a novel approach for nonlinear state estimation, named pi-IUKF (Invariant Unscented Kalman Filter), which is based on both invariant filter estimation and UKF theoretical principles. Several research works on nonlinear invariant observers have been led and provide a geometrical-based constructive method for designing filters dedicated to nonlinear state estimation problems while preserving the physical properties and systems symmetries. The general invariant observer guarantees a straightforward form of the nonlinear estimation error dynamics whose properties are remarkable. The developed pi-IUKF estimator suggests a systematic approach to determine all the symmetry-preserving correction terms, associated with a nonlinear state-space representation used for prediction, without requiring any linearization of the differential equations. The exploitation of the UKF principles within the invariant framework has required the definition of a compatibility condition on the observation equations. As a first result, the estimated covariance matrices of the pi-IUKF converge to constant values due to the symmetry-preserving property provided by the nonlinear invariant estimation theory. The designed pi-IUKF method has been successfully applied to some relevant practical problems such as the estimation of Attitude and Heading for aerial vehicles using low-cost AH reference systems (i.e., inertial/magnetic sensors characterized by low performances). In a second part, the developed methodology is used in the case of a mini-RPAS equipped with an aided Inertial Navigation System (INS) which leads to augment the nonlinear state space representation with both velocity and position differential equations. All the measurements are provided on board by a set of low-cost and low-performance sensors (accelerometers, gyrometers, magnetometers, barometer and even Global Positioning System (GPS)). Our designed pi-IUKF estimation algorithm is described and its performances are evaluated by exploiting successfully real flight test data. Indeed, the whole approach has been implemented onboard using a data logger based on the well-known Paparazzi system. The results show promising perspectives and demonstrate that nonlinear state estimation converges on a much bigger set of trajectories than for more traditional approaches.

Le domaine avionique a été transformé par l'apparition des architectures modulaires intégrées (IMA). Celles-ci définissent un support d'exécution et de communication standard et mutualisé afin de réduire la complexité de l'architecture physique. Cependant, du fait du partage des ressources, cette démarche introduit une plus grande complexité lors de la conception et de l'intégration des applications ce qui implique d’assister les concepteurs avec des outils dédiés. La présente thèse contribue à cet effort en se focalisant sur deux problèmes d'allocation de ressources : i) le problème de l'ordonnancement multiprocesseur de tâches strictement périodiques et ii) le problème du routage des messages échangés entre les fonctions avioniques.Le premier problème a été formalisé sous la forme d’un programme linéaire en nombres entiers afin de garantir un potentiel maximum d'évolution sur les durées d'exécutions des traitements. L’inefficacité d’une approche exacte pour des instances de grande taille, nous a conduit à développer une heuristique originale s’inspirant de la théorie des jeux couplée avec un algorithme multi-start.Le routage est formalisé sous la forme d’un problème d’optimisation sur la charge maximum des liens. Deux propositions sont faites pour le résoudre, l’une, exacte, est basée sur une formulation nœud-lien, et la seconde est une heuristique à deux niveaux basé sur une formulation lien-chemin / The avionic domain has seen a profound evolution by the introduction of Integrated Modular Avionics (IMA). This defines a standardized execution and communication support in order to reduce the complexity of the physical architecture. Nevertheless, due to the sharing of resources, this reduction of complexity is opposed by an increased difficulty in application conception and integration, which necessitates dedicated tools for assisting system designers. This thesis’ contributions concern two major resource allocation problems: i) the multiprocessor scheduling of strictly periodic tasks and ii) the routing of messages exchanged between the avionic functions. The first problem was formulated using integer linear programming so as to guarantee a maximum evolution potential for the task execution durations. The inefficiency of this exact approach for large problem instances led us to develop an original heuristic, inspired from Game Theory, and further enhance it with a multi-start algorithm. The routing problem was formulated as an optimization one so as to minimize the maximum link loads. Two methods were proposed for this purpose, the first is exact based on node-link formulations, and the other is a two phase heuristic based on link-path formulations