La collecte de données par des réseaux de capteurs autonomes mobiles peut être couplée à l’utilisation de drones qui constituent une solution de backahauling facilement déployable à faible coût. Ces moyens de collecte peuvent servir lors de l’organisation d’évènements temporaires (sportifs ou culturels) ou encore pour mener des opérations dans des terrains difficiles d’accès ou hostiles. L’objectif de cette thèse est de proposer des solutions efficaces pour la communication à la fois entre capteurs mobiles au sol et sur la liaison bord-sol. A ces fins, nous nous intéressons à l’ordonnancement des communications, au routage et au contrôle de l’accès sur la liaison capteurs/drone, le collecteur mobile. Nous proposons une architecture répondant aux contraintes du réseau. Les principales sont l’intermittence des liens et donc le manque de connexité pour lesquelles des solutions adaptées aux réseaux tolérants aux délais sont adoptées. Vu la limitation des opportunités de communication avec le drone et la variation importante du débit physique, nous avons proposés des solutions d’ordonnancement qui tiennent compte à la fois des durées de contact que du débit physique. Le routage opportuniste est également fondé sur ces deux critères à la fois pour la sélection des nœuds relais que pour la gestion des files d’attente. Nous avons souhaité limiter l’overhead et proposer des solutions efficaces et équitables entre capteurs mobiles au sol. Les solutions proposées ont montré leur supériorité par rapport aux solutions d’ordonnancement et de routage classiques. Nous avons enfin, proposé une méthode d’accès combinant un accès aléatoire avec contention ainsi qu’un accès avec réservation tenant compte des critères précédemment cités. Cette solution flexible permet à un réseau de capteurs mobiles denses de se rapprocher des performances obtenues dans un mode oracle. Les solutions proposées peuvent être mises en œuvre et appliquées dans différents contextes applicatifs pour lesquels les nœuds au sol sont mobiles ou aisément adaptées au cas où les nœuds sont statiques. / Data collection by autonomous mobile sensor arrays can be coupled with the use of drones which provide a low-cost, easily deployable backhauling solution. These means of collection can be used to organize temporary events (sporting or cultural) or to carry out operations in difficult or hostile terrain. The aim of this thesis is to propose effective solutions for communication between both mobile sensors on the ground and on the edge-to-ground link. For this purpose, we are interested in scheduling communications, routing and access control on the sensor / drone link, the mobile collector. We propose an architecture that meets the constraints of the network. The main ones are the intermittence of the links and therefore the lack of connectivity for which solutions adapted to the networks tolerant to the deadlines are adopted. Given the limited opportunities for communication with the drone and the significant variation in the physical data rate, we proposed scheduling solutions that take account of both the contact time and the physical flow rate. Opportunistic routing is also based on these two criteria both for the selection of relay nodes and for the management of queues. We wanted to limit the overhead and propose efficient and fair solutions between mobile sensors on the ground. The proposed solutions have proved superior to conventional scheduling and routing solutions. Finally, we proposed a method of access combining a random access with contention as well as an access with reservation taking into account the aforementioned criteria. This flexible solution allows a network of dense mobile sensors to get closer to the performance obtained in an oracle mode. The proposed solutions can be implemented and applied in different application contexts for which the ground nodes are mobile or easily adapted to the case where the nodes are static.

De nos jours, les applications utilisant des quadrirotors autonomes sont en plein essor. La surveillance et la sécurité de sites industriels ou sensibles, de zones géographiques pour l’agriculture par exemple sont quelques-unes des applications les plus célèbres des véhicules aériens sans pilote (UAV). Actuellement, certains chercheurs et scientifiques se concentrent sur le déploiement multi-drones pour l’inspection et la surveillance de vastes zones. L’objectif de cette thèse est de concevoir des algorithmes afin de réaliser une commande de vol en formation distribuée/décentralisée de multi-UAVs en temps réel dans une perspective de systèmes de systèmes. Tout d’abord, nous avons passé en revue certains travaux récents de la littérature sur la commande de vol en formation et la commande de quadrirotors. Nous avons présenté une brève introduction sur les systèmes de systèmes, leur définition et leurs caractéristiques. Ensuite, nous avons introduit la commande de vol en formation avec ses structures les plus utilisées dans la littérature. Nous avons alors présenté quelques travaux existants traitant du flocking (comportement de regroupement en flotte), les méthodes de modélisation les plus utilisés pour les quadrirotors et quelques approches de commande les plus utilisées pour stabiliser des quadrirotors. Deuxièmement, nous avons utilisé la structure de la commande comportementale pour réaliser un vol en formation de plusieurs UAVs. Nous avons conçu un comportement pour réaliser le vol en formation de multi-UAVs sans fragmentation. Le comportement proposé traite le problème flocking dans une perspective globale, c’est-à-dire, nous avons inclus une tendance dans chaque drone pour former une formation. Les défis des Systèmes de systèmes nous a motivés à chercher des algorithmes de flocking et de consensus introduits dans la littérature qui peuvent être utiles pour répondre à ces défis. Cela nous a amenés à proposer quatre lois de commande en visant à être compatibles avec le modèle non linéaire des quadrirotors et pouvant être expérimentés sur des plates-formes réelles. Les lois de commande ont été exécutées à bord de chaque quadrirotor dans la formation et chaque quadrirotor interagit avec ses voisins pour assurer un vol en formation sans collision. Enfin, nous avons validé nos lois de commande par des simulations et des expériences en temps réel. Pour la simulation, nous avons utilisé un simulateur de multi quadrirotors développé au laboratoire Heudiasyc. Pour les expériences, nous avons mis en œuvre nos lois de contrôle sur des quadrirotors ArDrone2 évolués dans un environnement intérieur équipé d’un système de capture de mouvement (Optitrack). / Nowadays, applications of autonomous quadrotors are increasing rapidly. Surveillance and security of industrial sites, geographical zones for agriculture for example are some popular applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Nowadays, researchers and scientists focus on the deployment of multi-UAVs for the inspection and the surveillance of large areas. The objective of this thesis is to design algorithms and techniques to perform a real-time distributed/decentralized multi-UAVs flight formation control, from a system of systems perspective. Firstly, we reviewed recent works of the literature about flight formation control and the control of quadrotors. We presented a brief introduction about systems of systems, their definition and characteristics. Then, we introduced the flight formation control with its most used structures in the literature, some existing works dealing with flocking. Finally, we presented the most used modeling methodologies for quadrotors and some control approaches that are used to stabilize quadrotors. Secondly, we used the behavioral-based control structure to achieve a multiple UAV flocking. We conceived a behavior intending to address the control design towards a successful achievement of the flocking task without fragmentation. The proposed behavior treats the flocking problem from a global perspective, that is, we included a tendency of separated UAVs to form a flock.System of systems challenges motivated us to look for flocking and consensus algorithms introduced in the literature that could be helpful to answer to these challenges. This led us to propose four flocking control laws aiming at being compatible with the nonlinear model of quadrotors and at being implemented on experimental platforms. The control laws were run aboard each quadrotor in the flock. By running the control law, each quadrotor interacts with its neighbors to ensure a collision-free flocking. Finally, we validated our proposed control laws by simulations and real-time experiments. For the simulation, we used a PC-based simulator of flock of multiple quadrotors which was developed at Heudiasyc laboratory. For experiments, we implemented our control laws on ArDrone2 quadrotors evolved in an indoor environment equipped with an Optitrack motion capture system.

Le concept de Ville Intelligent concerne l’interconnectivité totale de plusieurs industries vers l’amélioration des modes de vie des résidents. Ceci est rendu possible par la croissance et l'utilisation généralisée de l'Internet des objets (IoT), un vaste réseau de dispositifs de collecte de données répartis dans de multiples applications. Cependant, la plupart des appareils IoT disposent de peu de ressources et s'appuient sur des serveurs externes pour traiter et stocker les données collectées. En raison de la congestion et de la distance élevées, les centres de données Nuage (Cloud) peuvent entraîner une latence élevée dans leur réponse IoT, ce qui peut être inacceptable dans certaines applications IoT. Au lieu de cela, l'informatique Brouillard (fog-computing) a été proposé comme une couche hétérogène hautement virtualisée de serveurs à la périphérie du réseau, ce qui permet un traitement des données IoT à faible latence. Les contributions actuelles au brouillard informatique supposent qu'une infrastructure de brouillard est déjà en place. De plus, chaque contribution nécessite des caractéristiques différentes sur l’infrastructure du brouillard. Cette thèse formule un schéma de conception et de dimensionnement évolutif et modifiable pour une infrastructure de brouillard généralisée. Ceci est modélisé et résolu sous la forme d'un programme linéaire à nombres entiers mixtes (MILP), et détendu à l'aide de plusieurs techniques telles que la génération de colonnes et la décomposition de Benders. De nombreuses préoccupations concernant les performances du réseau brouillard sont prises en compte et résolues, telles que le trafic IoT élevé, la congestion du réseau et les dysfonctionnements des nœuds brouillard. Les nœuds de brouillard dynamiques, tels que les nœuds de brouillard à la demande et les véhicules aériens sans pilote mobiles (UAV-brouillard) sont intégrés dans les modèles de conception et de dimensionnement actuels pour ajouter de la flexibilité et de la robustesse au réseau. Un système basé sur la blockchain et des preuves de connaissance nulle est introduit pour renforcer l'intégrité des nœuds de brouillard. Le résultat est un schéma de conception et de dimensionnement évolutif pour une infrastructure de brouillard robuste, flexible et fiable dans un environnement de brouillard-IoT dynamique et malveillant. / The concept of a Smart City relies on the full interconnectivity of several industries towards the amelioration of resident lifestyles. This is made possible by the growth and wide-spread use of the Internet of Things (IoT) -- a large network of data collection devices throughout multiple applications. However, most IoT devices have few resources, and rely on external servers to process and store the collected data. Due to high congestion and distance, Cloud data centres may cause high latency in their IoT response, which may be unacceptable in certain IoT applications. Instead, fog-computing has been proposed as a highly-virtualized heterogeneous layer of servers on the network edge, resulting in low-latency IoT data processing. Current contributions in fog-computing assume a fog infrastructure is already in-place. Furthermore, each contribution requires different characteristics on the fog infrastructure. This thesis formulates a scalable and modifiable design & dimensioning scheme for a generalized fog infrastructure. This is modeled and solved as a mixed-integer linear program (MILP), and relaxed using several techniques such as Column Generation and Benders Decomposition. Many concerns on the fog network performance are considered and addressed, such as high IoT traffic, network congestion, and fog node malfunctions. Dynamic fog nodes, such as on-demand fog nodes and mobile fog-enabled unmanned aerial vehicles (fog-UAVs) are integrated into current design & dimensioning models to add flexibility and robustness to the network. A system based on blockchain and zero-knowledge proofs is introduced to enforce integrity on the fog nodes. The result is a scalable design & dimensioning scheme for a robust, flexible, and reliable fog infrastructure in a dynamic and malicious IoT-fog environment.