Ce mémoire présente une étude d'un chargeur de batterie solaire avec un suiveur du point de puissance maximale (MPPT) qui a été introduit en vue d'obtenir un rendement énergétique maximal. L'interface entre le panneau solaire et la batterie a été réalisée en utilisant un convertisseur DC-DC SEPIC commandé par un microcontrôleur « PIC 18F1220 ». Grâce à la méthode Perturb & Observ (P&O) l'algorithme MPPT mesure périodiquement la tension et le courant du panneau solaire pour calculer la puissance délivrée par ce dernier. Suivant le résultat obtenu, l'algorithme ajustera le rapport cyclique du convertisseur pour amener le système vers le point de fonctionnement à puissance maximale.

Ce mémoire couvre le développement d'une interface bimanuelle pour IMAGE v2, une application de simulation visuelle interactive aidant à la compréhension de situations complexes. Cette interface est centrée sur l'utilisateur et est développée principalement pour les environnements immersifs, environnements dans lesquels IMAGE v2 doit être déployé. Il s'agit d'une interface gestuelle, car l'utilisateur devra interagir avec les objets de l'application à l'aide de ses mains. Deux variantes de l'interface ont été implémentées, l'une requérant l'utilisation d'une seule main et l'autre permettant d'utiliser les deux mains. Ces deux variantes ont été comparées dans une étude sur un groupe d'utilisateurs qui devaient exécuter une série de tâches avec chaque variante de l'interface, le temps étant mesuré. L'étude a montré que l'interface bimanuelle augmente significativement la performance et la précision des utilisateurs. / This thesis covers the conception of a bimanual interface for IMAGE v2, an application of visual interactive simulation aiming to help in understanding complex situations. This interface is user-centric and is developed principally for virtual immersive environments, environments in which IMAGE v2 is to be used. It is a gestural interface because users will interact with the application by using their hands. Two variants of the interface have been implemented, the first requiring the user to use only one hand and the other allowing the use of both hands. Those two variants were compared in a study on a group of users who executed a series of tasks with each variant of the interface, time being measured. This study showed that the bimanual interface increased significantly the performance and precision of the users.

De nombreux systèmes de communication sans fil ont adopté les codes turbo et les codes convolutifs comme schéma de codes correcteurs d'erreurs vers l'avant (FEC) pour les données et les canaux généraux. Toutefois, certaines versions proposent les codes LDPC pour la correction d'erreurs en raison de la complexité de l'implémentation des décodeurs turbo et le succès de certains codes LDPC irréguliers dans la réalisation des mêmes performances que les codes turbo les dépassent dans certains cas avec une complexité de décodage plus faible. En fait, les nouvelles versions des standards de ces systèmes travaillent côte à côte dans des dispositifs réels avec les plus anciennes qui sont basées sur les codes turbo et les codes convolutifs. En effet, ces deux familles de codes offrent toutes deux d'excellentes performances en termes de taux d'erreur binaire (TEB). Par conséquent, il semble être une bonne idée d'essayer de les relier de manière à améliorer le transfert de technologie et l'hybridation entre les deux méthodes. Ainsi, la conception efficace de décodeurs universels des codes convolutifs, turbo, et LDPC est critique pour l'avenir de l'implémentation des systèmes sans fil. En outre, un décodeur efficace pour les codes turbo et codes convolutifs est obligatoire pour la mise en oeuvre de ces systèmes sans fil. Cela pourrait se faire par l'élaboration d'un algorithme de décodage unifié des codes convolutifs, turbo et LDPC par des simulations et des études analytiques suivies d'une phase de mise en oeuvre. Pour introduire ce décodeur universel, il existe deux approches, soit sur la base de l'algorithme du maximum a posteriori (MAP) ou l'algorithme de propagation de croyance (BP). D'une part, nous étudions une nouvelle approche pour décoder les codes convolutifs et les turbo codes au moyen du décodeur par propagation de croyances (BP) décodeur utilisé pour les codes de parité à faible densité (codes LDPC). En outre, nous introduisons un système de représentation général pour les codes convolutifs par des matrices de contrôle de parité. De plus, les matrices de contrôle de parité des codes turbo sont obtenus en traitant les codes turbo parallèles comme des codes convolutifs concaténés. En effet, l'algorithme BP fournit une méthodologie très efficace pour la conception générale des algorithmes de décodage itératif de faible complexité pour toutes les classes des codes convolutifs ainsi que les turbo-codes. Alors qu'une petite perte de performance est observée lors du décodage de codes turbo avec BP au lieu du MAP, cela est compensé par la complexité moindre de l'algorithme BP et les avantages inhérents à une architecture unifiée de décodage. En outre, ce travail exploite la représentation tail-biting de la matrice de contrôle de parité des codes convolutifs et des codes turbo, ce qui permet le décodage par un algorithme de propagation de croyance unifiée (BP) pour les nouveaux systèmes de communication sans fils tels que le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) et le LTE (Long Term Evolution). D'autre part, comme solution alternative, une recherche est effectuée sur la façon de produire un décodeur combiné de ces deux familles de codes basé sur l'algorithme MAP. Malheureusement, cette seconde solution nécessite beaucoup de calculs et de capacité de stockage pour sa mise en oeuvre. En outre, ses récurrences en avant et en arrière résultent en de longs délais de décodage. Entre temps, l'algorithme MAP est basé sur le treillis et la structure en treillis du code LDPC est suffisamment compliquée en raison de la matrice de contrôle de parité de grande taille. En conséquence, cette approche peut être difficile à mettre en oeuvre efficacement car elle nécessite beaucoup de calculs et une grande capacité de stockage. Enfin, pour prédire le seuil de convergence des codes turbo, nous avons appliqué la méthode de transfert d'information extrinsèque (EXIT) pour le décodeur correspondant en le traitant comme une concaténation de noeuds de variable et de contrôle.

Le calibrage et le positionnement de caméras reposent sur l'extraction de caractéristiques dans l'image et leur reconnaissance dans les images subséquentes. Une caractéristique est une région de l'image localement saillante à laquelle sont associées une position et une description de l'apparence de cette région. Les algorithmes de calibrage et de positionnement reposent sur l'hypothèse qu'un ensemble de caractéristiques correspondantes est l'observation du même point physique de la scène. Toutefois, cette hypothèse n'est pas nécessairement respectée par toutes les caractéristiques correspondantes. Les causes de la présence de ces caractéristiques nuisibles sont multiples, allant de biais induits par la méthode de localisation dans l'image, jusqu'à la déformation de l'image lorsque la caméra change de point de vue. Le principal défi du calibrage et du positionnement est donc l'identification de caractéristiques fiables. Pour pallier ce problème, nous introduisons le concept de ré-observabilité d'une caractéristique. Ce concept regroupe l'unicité du point physique et la reconnaissance. Un point de la scène est défini par ses observations dans les images et par les poses associées à ces images. Ainsi, une caractéristique doit être localisée le plus précisément possible dans l'image. Pour ce faire, nous avons identifié les biais affectant la localisation des caractéristiques dans l'image en calibrage pour une scène contrôlée et en positionnement où le capteur évolue dans une scène inconnue. Pour chaque biais, nous proposons une solution simple permettant de réduire, voire éliminer le biais. Ceci a mené au développement de nouveaux détecteurs de caractéristiques. Ensuite, à partir de plusieurs images, nous évaluons la cohérence entre les observations et les poses de la caméra à l'aide de critères multi-vue. Les caractéristiques nuisibles peuvent alors être identifiées. L'aspect reconnaissance est traité en évaluant la distinction des caractéristiques qui peuvent être distinctes localement ou globalement dans la scène. Une application directe de ce concept concerne la visibilité des caractéristiques où l'observation d'une caractéristique distincte globalement renforce la probabilité d'observer une caractéristique distincte localement si elles ont été observées conjointement. Chacun des concepts de la ré-observabilité est appuyé par une application réelle de calibrage et de positionnement d'un capteur multi-caméra.

Ce mémoire présente une étude sur la simulation en temps réel des réseaux électriques comportant des convertisseurs électronique de puissance, en utilisant deux pas de calcul différents. L'impact du double pas de calcul sur la précision de la simulation est d'abord étudié à l'aide de SimPowerSystems (MATLAB) puis validé en temps différé avec Hypersim, le logiciel de simulation temps réel d'Hydro-Québec. L'impact est étudié par l'observation des formes d'onde, par l'analyse harmonique, ainsi que par les mesures de puissance au point de découplage, entre les deux parties du réseau. La méthode de simulation à double pas de calcul pourrait être implantée, en temps réel, par l'utilisation d'une unité de calcul rapide dans Hypersim. La technologie FPGA « Field Programmable Gate Array » est considérée pour remplir cette fonction et ses caractéristiques sont passées en revue.

Cette thèse propose une stratégie de contrôle avancée pour guider une flotte d'aéronefs sans pilote (UAV) dans un environnement à la fois stochastique et dynamique. Pour ce faire, un simulateur de vol 3D a été développé avec MATLAB® pour tester les algorithmes de la stratégie de guidage en fonctions de différents scénarios. L'objectif des missions simulées est de s'assurer que chaque UAV intercepte une cible ellipsoïdale mobile tout en évitant une panoplie d'obstacles ellipsoïdaux mobiles détectés en route. Les UAVs situés à l'intérieur des limites de communication peuvent coopérer afin d'améliorer leurs performances au cours de la mission. Le simulateur a été conçu de façon à ce que les UAV soient dotés de capteurs et d'appareils de communication de portée limitée. De plus, chaque UAV possède un pilote automatique qui stabilise l'aéronef en vol et un planificateur de trajectoires qui génère les commandes à envoyer au pilote automatique. Au coeur du planificateur de trajectoires se trouve un contrôleur prédictif à horizon fuyant qui détermine les commandes à envoyer à l'UAV. Ces commandes optimisent un critère de performance assujetti à des contraintes. Le critère de performance est conçu de sorte que les UAV atteignent les objectifs de la mission, alors que les contraintes assurent que les commandes générées adhèrent aux limites de manoeuvrabilité de l'aéronef. La planification de trajectoires pour UAV opérant dans un environnement dynamique et stochastique dépend fortement des déplacements anticipés des objets (obstacle, cible). Un filtre de Kalman étendu est donc utilisé pour prédire les trajectoires les plus probables des objets à partir de leurs états estimés. Des stratégies de poursuite et d'évitement ont aussi été développées en fonction des trajectoires prédites des objets détectés. Pour des raisons de sécurité, la conception de stratégies d'évitement de collision à la fois efficaces et robustes est primordiale au guidage d'UAV. Une nouvelle stratégie d'évitement d'obstacles par approche probabiliste a donc été développée. La méthode cherche à minimiser la probabilité de collision entre l'UAV et tous ses obstacles détectés sur l'horizon de prédiction, tout en s'assurant que, à chaque pas de prédiction, la probabilité de collision entre l'UAV et chacun de ses obstacles détectés ne surpasse pas un seuil prescrit. Des simulations sont présentées au cours de cette thèse pour démontrer l'efficacité des algorithmes proposés.

Les capteurs basés sur la lumière structurée codée prennent une ampleur grandissante dans le domaine de la numérisation 3D. Ce type de capteur permet une numérisation plus rapide de la surface d'un objet comparativement aux capteurs laser ou aux systèmes de palpage (i.e. numérisation avec contact). De plus, les capteurs fonctionnant par la projection d'une seule trame offrent la possibilité de numériser des scènes en mouvement, ce qui est un avantage indéniable sur la majorité des capteurs commercialisés depuis quelques années. Le projet de recherche traité dans ce mémoire a été réalisé dans le cadre du développement d'un capteur basé sur la lumière blanche structurée, conçu par l'équipe de vision 3D du Laboratoire de Vision et Systèmes Numériques de l'Université Laval. Un tel capteur utilise un projecteur afin de projeter un patron de lumière codée sur la scène. Ce patron se déforme au contact de la surface et sa réflexion est captée par une caméra. Cette déformation permet de déduire la profondeur de la surface et ainsi calculer la position de points 3D représentant la surface de l'objet. Le rôle de ce mémoire est de développer et implanter un algorithme de segmentation d'images qui a comme objectif d'extraire le patron de la scène. Les images acquises par le capteur sont traitées en utilisant une approche basée sur les arêtes pour détecter les primitives contenue dans le patron. Chacune de ces primitives encode un symbole formant un mot codé. Le but de l'algorithme est donc de déterminer la position et l'étiquette (i.e. la valeur du symbole) associées à ces primitives. L'apparence de la scène complique cette tâche, car les propriétés de la surface (e.g. texture, déformations géométriques, type de matériaux) peuvent interférer avec la réflexion du patron. Par exemple, un objet de couleur foncée réfléchira très peu la lumière projetée, tandis qu'une surface géométriquement complexe déformera le patron, pouvant rendre les symboles flous et difficiles à détecter. La robustesse de l'algorithme face à ces défis est analysée et nous soulevons les limitations d'une telle approche de segmentation.

Ce mémoire développe la partie électrique du projet de l’hydrogénérateur à ailes oscillantes. Le but est de fournir à l’hydrogénérateur un système de conversion électromécanique avec son électronique de commande. Pour cela, deux types de machines électriques à aimants permanents ont été étudiées afin de déterminer celle qui officiera comme génératrice électrique. La forme du couple hydrodynamique impose le recours à un multiplicateur de vitesse. Un outil de dimensionnement du multiplicateur a été développé à partir d’une approche phénoménologique. Puis le dimensionnement d’inerties est évoqué dans le processus d’optimisation. Un outil d’optimisation complet de la conversion électromécanique a été élaboré en statique. Un autre outil pour la simulation dynamique a été mis au point afin de réaliser un asservissement de la vitesse de la turbine. Le convertisseur statique joue un rôle crucial puisqu’il doit maintenir une ondulation de vitesse de ±10% autour de la consigne pour valider le concept.

Les avantages de la modulation de phase vis-à-vis la modulation d’intensité pour les réseaux optiques sont claires et accepté par la communauté scientifique des télécommunications optiques. Surtout, la modulation de phase montre une meilleure sensibilité au bruit, ainsi qu’une plus grande tolérance aux effets non-linéaires que la modulation d’intensité. Nous présentons dans cette thése un étude qui vise à développer les avantages de la modulation de phase. Nous attaquons d’abord la complexité du récepteur en détection directe, en proposant une nouvelle configuration dont la complexité est comparable à celle du récepteur pour la modulation d’intensité traditionnel, mais avec des meilleures performances. Cette solution pourrait convenir pour les réseaux métropolitains (et même d’accès) à haut débit binaire. Nous passons ensuite à l’examen de la possibilité d’utiliser des amplificateur à semi-conducteur (SOA) au lieu des amplificateurs à fibre dopée à l’erbium pour fournir amplification optique aux signaux modulés en phase. Les non-linéarité des SOA sont étudiées, et un compensateur simple et très efficace est proposé. Les avantages des amplificateurs à semi-conducteur par rapport à ceux à fibre sont bien connus. Surtout, la méthode que nous proposons permettrait l’integrabilité des SOA avec d’autres composants de réseau (par exemple, le récepteur nommé cidessus), menant à des solutions technologiques de petite taille et efficaces d’un point de vue énergétique. Il y a deux types de systèmes pour signaux modulés en phase: basé sur la détection directe, ou sur les récepteurs cohérents. Dans le dernière partie de ce travail, nous nous concentrons sur cette dernière catégorie, et nous comparons deux solutions possibles pour la mise à niveau des réseaux terrestres actuel. Nous comparons deux configurations dont les performances sont très comparables en termes de sensibilité au bruit, mais nous montrons comment la meilleure tolérance aux effets non linéaires (en particuliers dans les systèmes à débit mixte) fait que une solution soit bien plus efficace que l’autre. / The advantages of phase modulation (PM) vis-à-vis intensity modulation for optical networks are accepted by the optical telecommunication community. PM exhibits a higher noise sensitivity than intensity modulation, and it is more tolerant to the effects of fiber nonlinearity. In this thesis we examine the challenges and the benefits of working with different aspects of phase modulation. Our first contribution tackles the complexity of the direct detection noncoherent receiver for differentially encoded quadrature phase shift keying. We examine a novel configuration whose complexity is comparable to that of traditional receivers for intensity modulation, yet outperforming it. We show that under severe nonlinear impairments, our proposed receiver works almost as well as the conventional receiver, with the advantage of being much less complex. We also show that the proposed receiver is tolerant to chromatic dispersion, and to detuning of the carrier frequency. This solution might be suitable for high-bit rates metro (and even access) networks. Our second contribution deals with the challenges of using semiconductor optical amplifiers (SOAs) instead of typical erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) to provide amplification to phase modulated signals. SOAs nonlinearities are investigated, and we propose a simple and very effective feed-forward compensator. Above all, the method we propose would permit the integrability of SOAs with other network components (for example, the aforementioned receiver) achieving small size, power efficient sub-systems. Phase modulation paves the way to high spectral efficiency, especially when paired with digital coherent receivers. With the digital coherent receiver, the degree of freedom offered by polarization can be exploited to increase the channel bit rate without increasing its spectral occupancy. In the last part of this work we focus on polarization multiplexed signaling paired with coherent reception and digital signal processing. Our third contribution provides insight on the strategies for upgrading current terrestrial core networks to high bit rates. This is a particularly challenging scenario, as phase modulation has to coexist with previously installed intensity modulated channels. We compare two configurations which have received much attention in the literature. These solutions show comparable performance in terms of back-to-back noise sensitivity, and yet are not equivalent. We show how the superior tolerance to nonlinear fiber propagation (and particularly to cross phase modulation induced by the presence of intensity modulated channels) makes one of them much more effective than the other.

Dans ce mémoire, nous analysons les critères qu'une source laser doit rencontrer pour être utilisée dans la génération d'impulsions UWB. L'écriture de la forme des impulsions est faite dans le domaine fréquentiel à l'aide de réseaux de Bragg (FBGs) et la conversion au domaine temporel se produit suite à la propagation à travers un milieu dispersif, dans ce cas une fibre monomode. Cette technique permet le contrôle précis de la forme des impulsions au détriment de la complexité et d'un coût élevé provenant du laser à fibre mode-locked. Dans ce mémoire, d'autres sources possibles basées principalement sur des lasers à semi-conducteurs sont examinées et analysées. La modulation directe de lasers à réflecteur distribué fournit des impulsions courtes mais il faut optimiser les conditions d'opération afin d'obtenir un spectre en fréquence étendu et assez uniforme. Cela constitue l'objectif principal de ce mémoire. Deux solutions ont été étudiées. D'abord, un laser à réflecteur distribué de 10 GHz de modulation dans un régime de commutation de gain (gain switched, GS-DFB) a été caractérisé en détail et son point d'opération a été optimisé afin de répondre aux exigences. La source puisée a été intégrée au sein de l'émetteur UWB et des impulsions UltraWideBand (UWB) à 1 GHz de taux de répétition ont été générées. La deuxième option est composée de deux lasers GS-DFB de 2.5 GHz de modulation. Les positions temporelles des impulsions générées par les deux lasers sont contrôlées pour réduire le bruit au détecteur et les réponses fréquentielles sont ajustées pour être adjacentes de telle façon que la bande passante totale utilisable s'en trouve doublée. Une façon simple de mesurer la phase d'impulsions optiques a été développée et vérifiée. Les impulsions de lasers GS-DFB présentent un glissement en fréquence principalement linéaire et elles peuvent être compressées de façon efficace. Cependant puisque la conversion fréquence-à-temps exige des impulsions fortement dispersées, la compression d'impulsion n'améliore pas la performance globale du système UWB et n'est donc pas nécessaire.