Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet de recherche achevant le cycle de formation des étudiants de maîtrise en génie électrique avec mémoire à l’Université Laval. Ce projet a été effectué au sein de la Faculté des sciences et de génie et le Centre d’optique, photonique et laser (COPL) de l’université Laval. À cet effet, ce mémoire contient les axes majeurs nécessaires pour une étude comparative et expérimentale des techniques d’analyse du minerai de phosphate (MP). L’objectif est de déterminer la technique la plus efficace à adopter pour mettre en place une solution in situ. Une proposition d’un système LIBS à base de FPGA pour la mesure de P2O5 est également présentée ainsi que sa conception. Tout d’abord, ce mémoire présente le contexte du projet pour bien comprendre la problématique et la motivation, ainsi que les objectifs et l’importance de mettre en place une solution in situ pour l’analyse du minerai de phosphate. Ceci nous a permis d’identifier le besoin et de repérer les exigences attendues. Aussi, le présent travail couvre une revue de littérature détaillée sur les méthodes classiques d’analyse du minerai de phosphate au laboratoire, et les techniques multi élémentaires qui permettent d’analyser plusieurs composés avec un seul équipement. La faisabilité d’utiliser une de ces techniques pour répondre au besoin a été présentée dans ce travail. Pour ce faire nous avons vérifié les limitations des trois techniques recommandées pour l’analyse des minéraux. Il s’agit des techniques ICP, XRF et LIBS. Les résultats montrent que l’XRF est incapable de quantifier les éléments légers dont le nombre atomique est inférieur à 11, alors que la LIBS permet d’avoir des résultats rapides et précis pour la majorité des éléments présents dans le minerai du phosphate. À la fin de ce mémoire, nous présentons une proposition d’un système LIBS à base de FPGA pour la mesure de P2O5 (qui est l’élément le plus important dans le minerai du phosphate) / This work is part of the research project completing the training cycle of research master at Laval University. This project was carried out within the Faculty of Science and Engineering and the Center of Optics, Photonics, and Laser (COPL). To this end, this report contains the major axes necessary for a comparative and experimental study of phosphate ore techniques analysis. The objective is to determine the most efficient technique to adopt to implement an in-situ solution. At the end of this report, we will introduce a proposal for LIBS system based on FPGA board for P2O5 measurement. First, this report presents the context of the project to understand the problem and the motivation, as well as the objectives and importance of setting up an on-line solution for the analysis of phosphate ore. Allowed us to describe the need and identify the expected requirements. Secondly, the present work covers a detailed literature review about conventional methods of analyzing phosphate ore in the laboratory, and multi-elemental techniques used to analyze several compounds with a single equipment. This work presents also the feasibility of using one of these techniques to meet the need. To do this, we have checked the limitations of the most three recommended techniques for mineral analysis. These are ICP, XRF and LIBS techniques. The results show that the XRF is unable to quantify the light elements whose atomic number is less than 11, while the LIBS allows having fast and accurate results for the majority of the elements existing in the phosphate ore. At the end of this dissertation, we present a proposal of an FPGA-based LIBS system or the measurement of P2O5 (which is the most important element in phosphate ore).

La modulation codée est une technique de transmission efficace en largeur de bande qui intègre le codage de canal et la modulation en une seule entité et ce, afin d'améliorer les performances tout en conservant la même efficacité spectrale comparé à la modulation non codée. Les codes de parité à faible densité (low-density parity-check codes, LDPC) sont les codes correcteurs d'erreurs les plus puissants et approchent la limite de Shannon, tout en ayant une complexité de décodage relativement faible. L'idée de combiner les codes LDPC et la modulation efficace en largeur de bande a donc été considérée par de nombreux chercheurs. Dans ce mémoire, nous étudions une méthode de modulation codée à la fois puissante et efficace en largeur de bande, ayant d'excellentes performances de taux d'erreur binaire et une complexité d'implantation faible. Ceci est réalisé en utilisant un encodeur rapide, un décoder de faible complexité et aucun entrelaceur. Les performances du système proposé pour des transmissions sur un canal additif gaussien blanc et un canal à évanouissements plats de Rayleigh sont évaluées au moyen de simulations. Les résultats numériques montrent que la méthode de modulation codée utilisant la modulation d'amplitude en quadrature à M niveaux (M-QAM) peut atteindre d'excellentes performances pour toute une gamme d'efficacité spectrale. Une autre contribution de ce mémoire est une méthode simple pour réaliser une modulation codée adaptative avec les codes LDPC pour la transmission sur des canaux à évanouissements plats et lents de Rayleigh. Dans cette méthode, six combinaisons de paires encodeur modulateur sont employées pour une adaptation trame par trame. L'efficacité spectrale moyenne varie entre 0.5 et 5 bits/s/Hz lors de la transmission. Les résultats de simulation montrent que la modulation codée adaptative avec les codes LDPC offre une meilleure efficacité spectrale tout en maintenant une performance d'erreur acceptable.

Les innovations technologiques des dernières décennies en matière d'électronique tant au niveau du traitement numérique de l'information que de la gestion de l'énergie ont contribué à une révolution majeure dans la conversion d'énergie électromécanique: celle des entraînements à vitesse variable (EVV). L'amélioration des plateformes de calculs et des techniques de commande ont grandement amélioré la performance dynamique des moteurs électriques à courant alternatif notamment grâce à la commande vectorielle. Cependant, la littérature contient relativement peu d'études sur l'utilisation de la commande vectorielle comme un moyen d'améliorer la performance énergétique des EVV de machines asynchrones: c'est à l'étude et à l'avancement de ce domaine de connaissances que cette thèse est consacrée. L'état de l'art contient plusieurs avancées sur la modélisation des pertes dans la machine et la plupart des stratégies de commande énergétiquement optimales (SCEO) reposent sur l'ajustement optimal du flux dans la machine basé sur un modèle des pertes. La proposition d'avancement de cette thèse ne repose pas sur l'amélioration de la qualité d'un modèle de pertes de la machine, mais plutôt sur les moyens d'intégrer efficacement ce modèle des pertes dans le système de commande. Dans cette perspective, nous démontrons une propriété intéressante des réseaux de neurones artificiels (RNA) de type perceptron multicouche qui ouvre de nouvelles possibilités en matière d'intégration de fonctionnalités au système de commande et ce, sans coût supplémentaire. Deux nouvelles fonctionnalités sont ainsi proposées: l'amélioration de l'efficacité énergétique du système sur toute la plage de charge par l'utilisation judicieuse d'une technique de modulation discontinue et l'amélioration de la stabilité du système par l'intégration d'un nouveau détecteur de régime permanent. Ces propositions d'avancement sont validées en simulation et sur un banc d'essai expérimental composé d'un système de commande à base de FPGA. Ce type de circuit logique reprogrammable permet la mise en oeuvre d'architectures de systèmes parallèles qui conviennent tout à fait aux systèmes à base de RNA et aux architectures avancées de systèmes d'EVV.

L’objectif du projet est de décrire le trafic de l’environnement réel d’un utilisateur en situation de conduite pour qu’un environnement virtuel lui soit plus adapté. Un véhicule équipé de caméras est confié au futur utilisateur du simulateur pour qu’il effectue plusieurs sorties dans son milieu. Des algorithmes de détection et de suivi sont ensuite appliqués sur ces séquences vidéos. Les détecteurs employés utilisent des caractéristiques Haarlike pour entraîner un système d’arbre de décision boosted en cascade. Ces détecteurs produisent de bons résultats pour des objets rigides malgré une grande complexité d’entraînement. Le suivi se fait par l’appariement de points SIFT. L’emphase du travail fut mise sur le développement du framework de détection et de suivi et l’évaluation de ses performances. Le système performe relativement bien lorsqu’il doit détecter et suivre des objets de moyenne ou grande taille, mais présente des faiblesses sur les petits objets et les changements de pose. / The goal of this project is to describe the traffic present in the real world of a simulator user so that the virtual environment is more adapted to him. A vehicle equipped with non-overlapping-view cameras is lent to the simulator’s future user so that he can use it in his driving environment. These collected data will be analyzed using detecting and tracking algorithms. The selected detector uses Haarlike features combined with boosted cascaded decision trees. Those detectors have a high training complexity, but produce good results for rigid objects. Tracking is carried out by the matching of SIFT feature points. The research emphasis was put on the development of the detection and tracking framework. The system performs relatively well for the detection and the tracking on medium and large objects, but shows some weakness to detect or track small objects and to track a pose changing object.

L’objectif de cette recherche est de développer un algorithme de segmentation du cartilage du genou à partir des images IRM en façon automatique et robuste. Cette recherche est réalisée en collaboration avec Laboratoire BodyCad. Le but final de cette étude est de permettre à l’entreprise de générer des prothèses du genou personnalisées. L’algorithme développé dans cette étude sera utilisé pour planification des chirurgies médicales de genou, donc la précision et la fiabilité de l’algorithme sont des points critiques. Afin de mieux comprendre les algorithmes existants de segmentation médicale, nous avons fait une évaluation de la littérature de ce domaine. Nous présentons une revue brève des recherches touchant le domaine de la segmentation des images médicales. L’algorithme proposé dans cette étude est implémenté en deux versions : la version primaire et la version étendue. Dans la version primaire, la segmentation est effectuée basée sur les informations extraites à partir d’une image IRM, tandis que la version étendue de notre algorithme extrait les informations de deux images IRM simultanément. Les résultats obtenus en utilisant trois ensembles distincts d’images IRM se présentent et se comparent dans la section de conclusion. La comparaison montre que l’algorithme a la capacité de produire les résultats de grande qualité. / The objective of this research is to develop a robust automatic algorithm for segmentation of the knee cartilage from MRI images. This research is carried out in collaboration with BodyCad Laboratories. The ultimate goal of this study is to allow the company to generate personalized knee prostheses. The algorithm developed in this study will be used in medical knee surgery planning, so the precision and reliability of the algorithm are of crucial importance. In order to achieve a better understanding of the existing algorithms in the field of medical segmentations, we performed a profound review of the literature in this field. We present a brief review of these studies in the literature review section. The algorithm proposed in this study is implemented in two versions: the primary version and the extended version. In the primary version, segmentation is performed based on information extracted from an MRI image, while the extended version of our algorithm extracts information from two MRI images simultaneously. The results obtained using three distinct sets of MRI images are presented in the results section and a comparison is drawn in the conclusion section of this document. This comparison shows that the algorithm has the ability to produce high quality results.

Ce mémoire porte sur la conception d'une station d'acquisition d'images infrarouges et d'autres données. La station d'acquisition permet à des chercheurs de faire l'acquisition d'images infrarouges et visibles dans un environnement quelconque depuis leur laboratoire en contrôlant la caméra à distance. Il est également possible d'investiguer des cibles étendues en procédant à un balayage du champ de vision de la caméra infrarouge par le biais d'une unité Pan-Tilt contrôlée à distance. Un télémètre permettant de mesurer une distance et un angle d'inclinaison peut aussi être contrôlé à distance. Il est utilisé ici pour déterminer la distance et l'orientation de la scène sous observation par rapport à la station d'acquisition. Une simple interface web permet de réaliser certaines captures en temps réel. De même, un interpréteur Python permet d'exécuter des séquences d'actions et d'acquisition de données.

Les sources incohérentes sont proposées comme alternatives aux lasers stabilisés en longueur d'onde pour réduire le coût des réseaux optiques passifs utilisant le multiplexage par longueur d'onde découpée dans le spectre (SS-WDM PONs). À cause de leur nature incohérente, ces sources génèrent au récepteur un large bruit d'intensité. Ce bruit limite l'efficacité spectrale et/ou le taux binaire pouvant être achevé. Cette thèse étudie l'utilisation des amplificateurs optique à semi-conducteur SOAs pour nettoyer le bruit d'intensité. De plus, lors de cette thèse, nous explorons les outils numériques et expérimentaux qui nous permettent d'analyser les performances des SOAs dans le cadre de systèmes de communication multi-canaux, incluant le SS-WDM. Nous présentons des modèles mathématiques pour le bruit d'intensité, ce bruit étant celui qui limite les performances des systèmes de communication utilisant des sources incohérentes. Nous discutons les dynamiques complexes des SOAs et présentons les équations qui gouvernent l'évolution des porteurs de charges dans ces amplificateurs. Nous identifions et soulignons l'effet des paramètres les plus importants, qui affectent le processus ainsi que la dynamique de nettoyage du bruit d'intensité. Nous passons en revue, les différentes techniques de nettoyage de bruit avec les SOAs, qui ont démontré les meilleurs résultats connus. De plus, nous effectuons une revue de littérature poussée pour ce qui a attrait au problème de post-filtrage lorsque le SOA est placé au transmetteur, avant la modulation. Notre première contribution pendant ce travail de recherche est de démontrer, en utilisant l'intermodulation de gain d'un SOA au récepteur pour convertir le signal incohérent en laser cohérent, une amélioration significative du taux d'erreur binaire BER. Cette méthode est spectralement efficace, d'autant plus qu'elle ne souffre point la limitation occasionnée par le post-filtrage au récepteur. En contre partie elle nécessite un ample budget de puissance qui doit assurer une saturation suffisante de l'amplificateur au récepteur. Une source laser est aussi nécessaire au récepteur. Ceci est un inconvénient, même si une telle source n'ait pas besoin d'une quelconque stabilisation. Pour contourner le problème causé par le post-filtrage quand le SOA est au transmetteur, nous proposons un nouveau récepteur pour les systèmes de communication WDM, qui permet de mieux garder le nettoyage de bruit, et ce malgré le filtrage optique au récepteur. La nouvelle méthode consiste en un détecteur balancé utilisé au récepteur: d'un bord, tous les canaux sont détectés sans distinction. De l'autre, le signal désiré est bloqué pendant que tous les autres canaux sont détectés. Avec cette méthode, il est facile de saturer l'amplificateur pour une meilleure suppression de bruit tout en évitant en grande partie la dégradation causé par le post-filtrage. Nous avons expérimentalement démontré un système WDM dense de 8 x 10 Gbps avec une source incohérente et un SOA en saturation. Une autre contribution originale de ce travail est le développement d'un outil de simulation pour les SOAs qui est numériquement plus efficace et léger que les modèles connus à ce jour. Nous avons donc développé un modèle théorique simple, pouvant être implémenté par diagramme block, dans le but de simuler les performances des hens de communications WDM. Notre modèle démontre une bonne concordance avec les résultats expérimentaux ainsi qu'une diminution de temps de calcul de l'ordre de 20 fois. Finalement, lors de la dernière partie de ces travaux, nous nous sommes occupés de mesurer, de façon précise, le temps de recouvrement du gain dans un SOA. Le temps de recouvrement des porteurs dans un SOA est un des paramètres les plus importants qui sont à l'origine du phénomène de nettoyage de bruit et qui régissent le comportement ainsi que les dynamiques de l'amplificateur. Nous avons étudié en particulier, la dépendance de ce temps de recouvrement r de la longueur d'onde. Pour le SOA utilisé lors de notre étude expérimentale, nous avons démontré que r dépendait de la longueur d'onde de façon similaire au spectre de gain. Ces mesures ont été possibles grâce au développement d'un nouveau dispositif de mesure pompe/sonde, qui permettait de mesurer le recouvrement du gain pour une pompe et une sonde à la même longueur d'onde et ayant le même état de polarisation.

La réalité augmentée (R.A.) est un domaine de recherche qui vise la combinaison d'environnements réels et virtuels en temps réel de façon à ce que ceux-ci semblent co-exister. De façon à obtenir un rendu réaliste, les interactions entre les deux environnements doivent être modélisées et gérées. Nous nous sommes intéressés à la gestion des occultations des objets virtuels par les objets réels. Cette gestion nécessite une acquisition d'informations 3D sur la scène réelle. Le projet du castelet électronique fournit un contexte applicatif approprié à cette étude. Deux approches d'acquisition sont présentées et analysées : une approche monoscopique basée sur une pré-modélisation approximative des objets réels et une approche stéréoscopique effectuant l'acquisition d'informations 3D en temps réel selon le point de vue

Les autobus de transport urbain sillonnent nos routes depuis fort longtemps. Des moyens de transport à la fois fiables et économiques, ces véhicules se sont imposés dans de nombreuses villes pour assurer le transport des passagers. Malheureusement, les émissions de polluants sans cesse croissantes liées à la combustion de l’essence de ces engins, les autorités gouvernementales ont dû adopter des réformes du secteur du transport de sorte que de plus en plus de solutions de rechange soient proposées. Dans ce contexte, les autobus électriques ont été récemment ciblés comme des alternatives viables et prometteuses pour réduire les émissions de polluants dans les villes. Étant donné l’émergence de ce type d’autobus, on s’intéresse de plus en plus à la manière dont on devrait dimensionner ses principaux composants tels que son moteur et sa source d’énergie. Le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit dans le cadre du développement d’un outil qui permet à un utilisateur d’avoir une idée des dimensions de la source d’énergie ainsi que du moteur électrique de l’autobus. L’outil permet entre autres de déterminer les paramètres dimensionnels de l’autobus qui reflètent le choix des performances dynamiques du véhicule. En dérivant les équations mathématiques qui gouvernent le comportement de l’autobus, on peut développer un outil de calcul logiciel. En configurant cet outil conformément aux besoins d’une étude dimensionnelle, on arrive à proposer des designs d’autobus qui répondent à différentes situations d’utilisation. Après analyse des résultats de plus de 150 simulations, on peut démontrer que le dimensionnement de la source dépend essentiellement du choix du type de batteries, de l’autonomie ciblée et du profil de conduite utilisé par l’autobus. D’autres résultats démontrent que l’utilisation de la source pour subvenir aux besoins en énergie du système de chauffage de l’autobus en saison hivernale est peu recommandable. En effet, dans presque tous les cas, l’apport en énergie de chauffage correspond à la moitié de l’énergie disponible de la source. Enfin, on peut montrer que l’utilisation combinée des supercapacités et des batteries, pour de faibles autonomies, permet de réduire davantage la masse de la source nécessaire pour répondre aux critères de performances. / Urban transit buses have furrowed our roads for a long time now. Both reliable and economical, these vehicles have become one of the most popular mean of transportation to commute passengers throughout entire cities. Unfortunately, the ever-increasing emissions of pollutants caused by the burning of gasoline of these buses, have urged the government authorities to take due reforms in the transport sector so that more and more alternatives are proposed. In this context, the electric buses have recently been identified as viable and promising alternative for reducing emissions of pollutants in cities. Since the technology behind the electrification of urban buses is still young, there is a growing interest on how we should scale its main components such as its engine and its power source. The work presented in this paper contributes in the development of a tool that allows a user to have an idea on the size of the energy source and the electric motor of the bus. The tool allows among others to determine the dimensional parameters of the bus that reflect the choice of vehicle dynamic performance. In deriving the mathematical equations that govern the behavior of the bus, one can develop simulation tool software. By configuring the tool according to the needs of a dimensional study, we come to offer bus designs that meet different situations of use. After analyzing the results from more than 150 simulations, we can show that the size of the energy source depends essentially on the choice of battery type, autonomy target and driving cycle used by the bus. Other results show that the use of the source to meet the energy needs of the heating system of the bus in winter is not advisable. Indeed, in almost all cases, the amount of energy used from heating corresponds approximately to half the available energy source. Finally, we can show that the combined use of supercapacitors and batteries, for low autonomy targets, further reduces the dimensions of the source needed to meet performance criteria.

L'un des sujets les plus importants concernant les signes vitaux pour personnaliser les soins de santé est la transmission ininterrompue. De ce fait, cela pourrait aider à réduire les coûts médicaux et à augmenter le confort d'un patient. Un système de surveillance de la santé à long terme et ininterrompu nécessite la technologie de communication sans fil. Les éléments les plus importants pour les capteurs sans fil sont une faible consommation énergétique, un faible coût de production, des protocoles simples et de courts retards de synchronisation entre les différents modes des émetteurs-récepteurs sans fil. Il existe différentes technologies courte portée pour les réseaux sans fil dans la bande de fréquence Wireless Body Area Networks (WBANs). Dans ce travail, nous utiliserons et comparerons deux configurations différentes pour les réseaux corporels sans fil. Dans la première configuration, le BLE (Bluetooth Low Energy) sera proposé et son taux d'erreur, ainsi que sa consommation d'énergie seront mesurés pour un système de surveillance en continu dans le domaine de la santé. Récemment BLE a annoncé des fonctionnalités plus convaincantes dans plusieurs aspects et seulement quelques études ont été publiées soutenant ces allégations sur le BLE. Les nœuds de détection (tels que le nœud de détection de la respiration, le nœud de capteur ECG (Electrocardiogram) et le nœud de capteur d'oxymétrie de pouls) peuvent être utilisés pour surveiller certains signaux biomédicaux du corps humain. Après l'acquisition du signal, il est prétraité et l'information est transmise par BLE à la station de base ou à un téléphone intelligent comme un nœud central. Le téléphone intelligent peut fournir une rétroaction médicale en temps réel aux utilisateurs par le biais de dispositifs mobiles afin d'éviter des situations dangereuses. Le système est connu pour sa très-faible consommation d'énergie. Cette nouvelle conception permet de réduire la consommation d'énergie de façon significative, ce qui est un problème essentiel qui doit être pris en compte dans les questions de WBANs. La performance de transmission pendant une expérience a été évaluée et les résultats ont montré que cette solution satisfait aux exigences des applications de soins de santé en termes de consommation d'énergie, de latence et de taux d'erreur de paquets. Les caractéristiques d'intervalle de latence et de connexion par rapport à la perte de paquets et à la vitesse de transmission montrent qu'avec l'augmentation de l'intervalle de connexion, le taux de perte de paquets et le taux de transmission diminuent. La consommation maximale de courant pour l'architecture BLE, avec une alimentation de 3.0V, est seulement de 5mA peu importe le type d'activité radio. À titre d'exemple, la consommation du système BLE représente 50% de moins que celle d'autres solutions sans fil qui ont une portée petite ou moyenne et une faible puissance. Ainsi, on peut s'attendre à une vie prolongée pour ce système. Dans la deuxième configuration qui est proposée, à savoir une nouvelle conception de détection textile avec capacité de communication RF, le système de communication du capteur est composé d'un tissu textile avec un système intégré qui communique à travers la bande 2,4 GHz ISM avec une bonne qualité du signal. La performance de transmission de ce nouveau textile de détection avec la communication de RF a été analysé. La caractéristique de perte de paquets par rapport à la longueur de paquets montre que pour les paquets de moins de 12 octets de long et à une distance d'un mètre, le taux de perte de paquets est inférieur à 5%. Le BLE ouvre une nouvelle génération d'occasions pour les systèmes de communication et les applications médicales et annonce des fonctionnalités plus convaincantes dans plusieurs domaines. La faible consommation de puissance de ce protocole et le faible taux de pertes des paquets nous offre un système robuste en application médicale. Considérant que le dispositif BLE transmet seulement pendant un petit pourcentage du temps total, la pile du dispositif devrait avoir une durée de vie allant de plusieurs mois à plusieurs années.