Cette thèse, réalisée en coopération avec l'Institut Pascal et Renault, s'inscrit dans le domaine des applications d'aide à la conduite, la plupart de ces systèmes visant à améliorer la sécurité des passagers du véhicule. La fusion de différents capteurs permet de rendre plus fiable la prise de décision. L'objectif des travaux de cette thèse a été de développer un système de fusion entre un radar et une caméra intelligente pour la détection des obstacles frontaux au véhicule. Nous avons proposé une architecture modulaire de fusion temps réel utilisant des données asynchrones provenant des capteurs sans a priori applicatif. Notre système de fusion de capteurs est basé sur des méthodes de suivi de plusieurs cibles. Des méthodes probabilistes de suivi de cibles ont été envisagées et une méthode particulière, basée sur la modélisation des obstacles par un ensemble fini de variables aléatoires a été choisie et testée en temps réel. Cette méthode, appelée CPHD (Cardinalized Probability Hypothesis Density) permet de gérer les différents défauts des capteurs (non détections, fausses alarmes, imprécision de positions et de vitesses mesurées) et les incertitudes liées à l’environnement (nombre inconnu d'obstacles à détecter). Ce système a été amélioré par la gestion de différents types d'obstacles : piéton, voiture, camion, vélo. Nous avons proposé aussi une méthode permettant de résoudre le problème des occultations avec une caméra de manière explicite par une méthode probabiliste en prenant en compte les imprécisions de ce capteur. L'utilisation de capteurs intelligents a introduit un problème de corrélation des mesures (dues à un prétraitement des données) que nous avons réussi à gérer grâce à une analyse de l'estimation des performances de détection de ces capteurs. Afin de compléter ce système de fusion, nous avons mis en place un outil permettant de déterminer rapidement les paramètres de fusion à utiliser pour les différents capteurs. Notre système a été testé en situation réelle lors de nombreuses expérimentations. Nous avons ainsi validé chacune des contributions de manière qualitative et quantitative. / This PhD work, carried out in collaboration with Institut Pascal and Renault, is in the field of the Advanced Driving Assisted Systems, most of these systems aiming to improve passenger security. Sensors fusion makes the system decision more reliable. The goal of this PhD work was to develop a fusion system between a radar and a smart camera, improving obstacles detection in front of the vehicle. Our approach proposes a real-time flexible fusion architecture system using asynchronous data from the sensors without any prior knowledge about the application. Our fusion system is based on a multi targets tracking method. Probabilistic multi target tracking was considered, and one based on random finite sets (modelling targets) was selected and tested in real-time computation. The filter, named CPHD (Cardinalized Probability Hypothesis Density), succeed in taking into account and correcting all sensor defaults (non detections, false alarms and imprecision on position and speed estimated by sensors) and uncertainty about the environment (unknown number of targets). This system was improved by introducing the management of the type of the target: pedestrian, car, truck and bicycle. A new system was proposed, solving explicitly camera occlusions issues by a probabilistic method taking into account this sensor imprecision. Smart sensors use induces data correlation (due to pre-processed data). This issue was solved by correcting the estimation of sensor detection performance. A new tool was set up to complete fusion system: it allows the estimation of all sensors parameters used by fusion filter. Our system was tested in real situations with several experimentations. Every contribution was qualitatively and quantitatively validated.

La surveillance étroite d’un grand équipement physique mobile sur une trajectoire unique connue est susceptible d’avoir des applications concrètes importantes pour la sécurité des utilisateurs et de l’équipement lui-même, pour sa maintenance et pour l’optimisation du service rendu. Cette surveillance nécessite d’instrumenter l’équipement. Cette instrumentation à l’aide d’un réseau de capteurs pris sur étagère constitue l’application de l’étude menée dans cette thèse. Les problématiques de recherche concernent trois domaines : la topologie des réseaux de capteurs mobiles, le routage et la localisation. Elles sont situées par rapport à l’état de l’art. Puis une étude approfondie de l’architecture du réseau pour sur un système physique parcourant une trajectoire circulaire a été menée. La grande roue de Singapour (Singapore Flyer) est utilisée comme système type. Deux sortes de topologie ont été étudiées : une dans laquelle la liaison système mobile – partie fixe au sol est située au niveau du ou des capteurs, l’autre pour laquelle la liaison système mobile - partie fixe au sol est située au niveau du puits. Les meilleurs placements des relais ont été proposés ainsi que des algorithmes de routage géographique adaptés à chaque cas. Les performances du réseau sont mesurées par simulation. Elles montrent un bon fonctionnement pour des phénomènes dynamiques assez rapides et permettent de comparer les architectures entre-elles. Enfin une expérimentation de localisation des nœuds à base de RSSI a été menée sur un site industriel / The close supervision of a large physical equipment moving on a single known trajectory is likely to have important practical applications for the safety of users and the equipment itself, for maintenance and optimization of the provided service. This requires deploying monitoring instruments on equipment. This instrumentation using a sensor network taken off the shelf is the application of the study conducted in this thesis. The research problems address three areas: the topology of mobile sensor networks, routing and localization. They are situated in relation to the state of the art. Then a detailed study of the network architecture for a physical system moving on a circular path was conducted. Giant observation wheel of Singapore (Singapore Flyer) is used as a type system. Two kinds of topology were considered: one in which the connection mobile system - fixed part at the ground is located at sensor interface, one for which the link mobile system - fixed part at the ground is located at sink interface. The best placements of the relays have been proposed as well as geographic routing algorithms adapted to each case. The network performance is measured by simulation. The results show a correct working for fairly rapid dynamic phenomena and allow to compare architectures with each other. Finally an experiment of node localization based on RSSI was conducted on an industrial site

Les capteurs sans fil ont un avenir prometteur c’est pourquoi leur développement est àl’origine de nombreuses recherches. Leur autonomie reste cependant un problème à résoudre.Les travaux de cette thèse se concentrent précisément sur cette problématique : trouverune stratégie permettant aux capteurs d’être autonomes en énergie.L’énergie nécessaire à l’alimentation du capteur, quel que soit son mode de fonctionnement,doit en effet être récupérée de l’environnement dans lequel le capteur se trouve. Deplus, en cas d’absence ou d’insuffisance d’énergie environnante, le fonctionnement du capteurdoit pouvoir perdurer. À cela s’ajoute la nécessité de connaitre à tout instant la quantitéd’énergie disponible afin de pouvoir maintenir un niveau de charge constant et ainsi prolongerla vie du capteur. Enfin, toute cette gestion de l’énergie doit pouvoir garantir le meilleurrendement possible.Cette étude a conduit à la conception et au test d’un circuit en technologie CMOS 90nm.Ce même circuit a été intégré dans les capteurs sans fil d’un réseau en cours de développement.Et enfin, une méthode permettant de connaitre le niveau d’énergie embarquée a étémise au point et pourra permettre à l’avenir la conception d’un nouveau circuit de power managementpour capteurs autonomes en énergie. / Wireless sensors have a bright future so their development is causing a lot of research.However, their autonomy is still an issue.This work focuses on this problem : find a strategy for the sensors to be autonomous.The energy required to power the sensor, whatever its working mode, must indeed be harvestedfrom the environment wherein the sensor is located. Moreover, in case of absence ora lack of available energy, the sensor has to keep working. Additionnaly the state-of-chargehas to be known in real time in order to extend the sensor lifetime. Finally, the energy managementhas to give the highest efficiency.This study led to the design and the test of a circuit in CMOS 90nm technology. Thiscircuit was integrated in wireless sensors for networks under development. Finally, a methodto estimate the level of energy in the sensor has been developed and will allow to design anew circuit of power management for wireless sensor network.

Le but de cette thèse a été le développement de capteurs électrochimiques en flux, basés sur l'utilisation du feutre de graphite comme électrode de travail pour l'analyse pharmaceutique et environnementale du cuivre (II) et du zinc (II), deux métaux lourds essentiels pour l'homéostasie de l'organisme humain, mais toxiques en excès. Pour la détection des ions zinciques (II), une cellule d'analyse en flux, bien adaptée pour l'utilisation du feutre de graphite utilisé comme électrode de travail a été élaborée. Les conditions analytiques ont été optimisées et ont conduit à la détection du zinc (II) avec de bonnes sensibilités. Ces résultats montrent l'intérêt de réaliser en flux l'étape de pré-concentration pour augmenter la cinétique d'électrodéposition. Nous avons réalisé une étude complète sur une électrode en feutre de graphite modifiée par réduction d'un sel de diazonium, conduisant à la formation d'un film organique ayant une forte affinité pour les ions cuivriques. L'électrode modifiée combinée avec une étape de pré-concentration en flux permet la réalisation d'un capteur d'ions Cu2+ avec une grande sensibilité et une bonne sélectivité. Nous avons développé, aussi, un capteur électrochimique en flux pour l'analyse des traces d'ions cuivriques à l'aide d'une électrode en feutre de graphite modifiée avec un récepteur capable de complexer de façon sélective les ions de cuivre (II) dans des solutions aqueuses. Enfin, nous avons testé la détection électrochimique du cuivre (II) à l'aide d'électrodes modifiées bidimensionnelles, CPE et SPE. Les résultats préliminaires montrent une bonne capacité de ces électrodes pour la complexation et la détection des ions cuivriques (II). / The scope of this thesis was the development of flow electrochemical sensors, based on the use of graphite felt as a working electrode for the pharmaceutical and environmental analysis of zinc (II) and copper (II) ions, two heavy metals essential for the homeostasis of the human organism, but toxic if found in excess. For the detection of zinc (II) ions, a custom made flow cell was developed, well suited for the use of a graphite felt as working electrode in anodic stripping voltammetry analyses. The analytical conditions were optimized, leading to the detection of zinc with good sensitivities. These results prove the capacity of the preconcentration in flow to increase the kinetics of electrodeposition. A complet study on a graphite felt electrode modified by reduction of a diazonium salt, resulting in the formation of an organic film with high affinity for copper (II) ions was performed. The modified electrode combined with a flow preconcentration step allowed the achievement of a Cu2+ sensor with high sensitivity and good selectivity. We developed, also, a flow electrochemical sensor, allowing the analysis of traces of copper (II) ions, using a graphite felt electrode modified with a ligand proved to be able to selectively complex the copper (II) in aqueous solutions. Finally, we tested the electrochemical detection of zinc (II) and copper (II) ions by using modified bi-dimensional electrodes, CPE and SPE. Preliminary results show a good capacity of these modified electrodes for the complexation and detection of the copper (II) ions.

Cette thèse explore l’utilisation des principes de la chimie supramoléculaire afin de fabriquer des dispositifs senseurs de gaz novateurs et à haute performance, avec une lecture (opto)-électronique. Parmi les différentes sections, divers échafaudages tels que des réseaux hybrides bi- et tridimensionnels de particules d’or et des nanofibres supramoléculaires sont utilisés comme matériaux actifs pour la détection quantitative de l’humidité. Au sein de la dernière section, des couches 2D d’oxyde de graphène sont fabriquées par exposition à un laser IR, puis comme validation de principe, exploitées comme matériau actif pour la détection d’ozone à une concentration ppm. Chacun des échafauds présentés est basé sur un mécanisme de transduction différent, mais dans tous les cas, les interactions entre récepteurs et analytes sont basés sur des liaisons dynamiques non covalentes. / This thesis explores the use of supramolecular chemistry principles to fabricate novel and high performances gas sensing devices, featuring (opto)-electronic readouts. Within the different sections, diverse scaffolds such as 2D and 3D hybrid networks of gold nanoparticles and 1D supramolecular nanofibers are exploited as active materials for the quantitative detection of environmental humidity. In the last section, 2D layers of reduced graphene oxide are fabricated by IR laser exposure and, as a proof-of-concept application, they are exploited as active materials for the detection of ozone in ppm concentration. Each of the presented scaffolds rely on a different transduction mechanism but, in all the cases, the interactions between the receptors and the analytes are based on dynamic non-covalent bonds.

Le bruit peut avoir un rôle bénéfique sur les processus non linéaires en charge du traitement de l'information. Depuis quelques années, des études dans divers domaines mettent en évidence différents mécanismes par lesquels cet effet de bruit utile se produit. Dans ce mémoire, nous montrons de nouveaux mécanismes d'amélioration par le bruit en traitement du signal et en imagerie, plus particulièrement dans les réseaux de capteurs et dans les systèmes d'imagerie cohérente. L'analyse de ces mécanismes est réalisée au moyen d'études analytiques, de simulations numériques et de mises en oeuvre expérimentales. Nous prenons en compte les non-linéarités avec seuil et saturation présentes dans les processus considérés, en interaction avec différents mélanges signal–bruit. Ces travaux peuvent avoir une portée dans des domaines variés tels que l'électronique ou l'imagerie optique. Nous étudions également l'influence du bruit sur le traitement de l'information par les processus neuronaux.

La détection et l'identification de bactéries pathogènes revêt une grande importance dans de nombreux domaines tels que la santé et l'industrie agroalimentaire. Dans ce contexte, les travaux de thèse s'intéressent à détection non invasive de Salmonella via la fraction volatile de son métabolome dont les métabolites volatils caractéristiques sont le sulfure d'hydrogène et la cadavérine. Ils illustrent également le concept de substrats osmogènes libérant des mCOV exogènes sous l'action d'enzyme spécifique d'Escherichia coli. Un premier capteur colorimétrique capable de distinguer le sulfure d'hydrogène du méthanethiol a été préparé. Il s'agit d'une matrice de silicate nanoporeuse dopée avec les réactifs N,N-diméthyl-p-phénylènediamine et ions Fe3+. Une bonne stabilité de l'intermédiaire réactionnel issu de ces réactifs, la quinonediimine (QD), est obtenue pour une forte concentration d'acide chlorhydrique. La réaction entre QD et 1000 ppm de sulfure d'hydrogène et de méthanethiol entraîne l'apparition respective d'une coloration verte et rouge-marron du capteur. Le capteur fluorimétrique de cadavérine, basé sur la formation d'un complexe fluorescent entre le Naphthol AS-BI déméthylé (ArOH) et la cadavérine, permet de détecter 250 ppb de cadavérine. La preuve de concept de substrats osmogènes a été illustrée avec la détection de p-nitrophénol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) libérés en présence d'enzymes de E. coli, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Les capteurs nanoporeux produits, de taille de pores contrôlée, peuvent détecter 100 ppm de pNP, composé coloré (jaune) et 100 ppm de β-NA, composé fluorescent, ou encore 100 ppm de β-NA par dérivation chimique de ce dernier avec le diméthyl-p-aminocinnamaldéhyde (formation d'un produit rouge). En milieu biologique, l'eau est un interférent majeur.

Afin de réaliser un appareil innovant pour la mesure de gaz polluants, la société SVS@CAP s'est associée avec le laboratoire de physique corpusculaire en 2009 pour la création du projet EREBUS. Ce projet a pour but la réalisation d'un ensemble de dispositifs sans fil permettant d'effectuer une surveillance de la concentration de gaz polluants. L'autonomie et la compacité d'un tel dispositif étant essentielles, la problématique principale porte sur la réduction de la consommation. A partir d'une première étude menée sur les différentes technologies existantes, les capteurs électrochimiques ont été identifiés comme les moins consommateurs d'énergie. Pour chacun des gaz cibles, un modèle électrique du capteur associé a été déterminé. A partir de ces modèles, une architecture dédiée et épurée a pu être déduite. Pour atteindre et même dépasser les objectifs de consommation, les efforts ont aussi été portés sur un dimensionnement avec la méthode gm/id. La réalisation de cette électronique intégrée a permis d'atteindre une consommation de l'ordre du microwatt pour chaque voie de mesure. Enfin, pour compléter la chaîne de lecture, plusieurs architectures de convertisseurs ont été étudiées et réalisées pour fonctionner à des fréquences d'échantillonnage proches du Hz. Les consommations obtenues pour les convertisseurs sont limitées avec comme ordre de grandeur la centaine de nW.

Cette thèse propose une méthode pour l'analyse de problèmes relevant des systèmes complexes physiques ouverts avec des systèmes multi-agents physiques. Cette méthode que nous appelons DIAMOND (Decentralized Iterative Approach for Multiagent Open Networks Design) agence quatre phases en un cycle de vie en spirale. Elle propose d'utiliser, pour le recueil des besoins, des notations d'UML mais elle structure le fonctionnement global du système via une étude de modes de marche et d'arrêt. Elle utilise le raffinement notamment entre le niveau local et le niveau global du système et assemble les comportements individuels et les comportements sociaux tout en identifiant les influences de l'un sur l'autre. Elle guide le concepteur durant la phase de conception générique en utilisant les composants comme unité opératoire. En fin de cycle, le partitionnement logiciel/matériel du système intervient et permet la génération du code ou des descriptions matérielles.<br />Il n'était pas suffisant de proposer une méthode : considérer les composants des systèmes complexes physiques comme des noeuds coopérants d'un réseau sans fil est une démarche attrayante qui peut être vue comme la traduction physique extrême de la décentralisation. De fait, des besoins spécifiques en architectures doivent être traités. Pour cela, nous proposons le modèle MWAC (Multi-Wireless-Agent Communication) qui repose sur l'auto-organisation des entités du système.<br />Ces deux contributions sont exploitées au sein de l'application EnvSys qui a pour objectif l'instrumentation d'un réseau hydrographique.

Dans un atelier de production, la multitude de capteurs, leur calibrage, les difficultés d'implémentation sans compter le niveau de fiabilité à assurer ont conduits les industriels à chercher de nouvelles solutions contribuant à l'amélioration des performances de leurs installations. Cette thèse propose une solution innovante: l'utilisation de capteur unique de vision pour la commande et la détection de défaut. L'idée principale et originale est de piloter le système par un seul et unique capteur " le système de vision ". L'avantage d'une telle structure basée sur un système de vision se situe dans l'exploitation du capteur de vision non seulement pour la commande du processus de fabrication, mais aussi pour la détection et localisation de défaut. Il est clair que les orientations vers de capteur unique de vision nécessitent une architecture particulière de l'ensemble du système de contrôle/commande. Une nouvelle organisation du processus de fabrication est proposée. Les informations en provenance des capteurs et du système de vision sont tout d'abord traitées, analysées et ensuite transmis vers les actionneurs. Il existe différents algorithmes de traitement d'image. Le principe général de la méthodologie proposée et les différents algorithmes de filtrage, de détection de mouvement, détection de contour sont présentés. Parmi les exigences des algorithmes proposés la qualité de réactivité des algorithmes en termes de temps de réponse est primordiale. De plus, les algorithmes proposés doivent être capables d'atténuer l'effet du bruit sur l'image à traiter et particulièrement le facteur " luminosité " dû au changement de la lumière ambiante. Pour atteindre ces objectives différentes étapes de traitement et d'amélioration sont proposées. Les méthodes proposées sont appliquées sur différents exemples.