La conception de systèmes embarqués modernes est de plus en plus complexe, car plus de fonctionnalités sont intégrées dans ces systèmes. En même temps, afin de répondre aux exigences de calcul tout en conservant une consommation d'énergie de faible niveau, MPSoCs sont apparus comme les principales solutions pour tels systèmes embarqués. En outre, les systèmes embarqués sont de plus en plus adaptatifs, comme l'adaptabilité peut apporter un certain nombre d'avantages, tels que la flexibilité du logiciel et l'efficacité énergétique. Cette thèse vise la conception sécuritaire de ces MPSoCs adaptatifs. Tout d'abord, chaque configuration de système doit être analysée en ce qui concerne ses propriétés fonctionnelles et non fonctionnelles. Nous présentons un cadre abstraite de conception et d'analyse qui permet des décisions d'implémentation rapide et rentable. Ce cadre est conçu comme un support de raisonnement intermédiaire pour les environnements de co-conception de logiciel / matériel au niveau de système. Il peut élaguer l'espace de conception à sa plus grande portée, et identifier les candidats de solutions de conception de manière rapide et efficace. Dans ce cadre, nous utilisons un codage basé sur l'horloge abstraite pour modéliser les comportements du système. Différents scénarios d'applications de mapping et de planification sur MPSoCs sont analysés via les traces d'horloge qui représentent les simulations du système. Les propriétés d'intérêt sont l'exactitude du comportement fonctionnel, la performance temporelle et la consommation d'énergie. Deuxièmement, la gestion de la reconfiguration de MPSoCs adaptatifs doit être abordée. Nous sommes particulièrement intéressés par les MPSoCs implémentés sur des architectures reconfigurables (ex. FPGAs) qui offrent une bonne flexibilité et une efficacité de calcul pour les MPSoCs adaptatifs. Nous proposons un cadre général de conception basé sur la technique de la synthèse de contrôleurs discrets (DCS) pour résoudre ce problème. L'avantage principal de cette technique est qu'elle permet une synthèse d'un contrôleur automatique selon une spécification des objectifs de contrôle. Dans ce cadre, le comportement de reconfiguration du système est modélisé en termes d'automates synchrones en parallèle. Le problème de calcul de la gestion reconfiguration selon de multiples objectifs concernant, par exemple, les usages des ressources, la performance et la consommation d'énergie, est codé comme un problème de DCS. Le langage de programmation BZR existant et l'outil Sigali sont employés pour effectuer DCS et générer un contrôleur qui satisfait aux exigences du système. Finalement, nous étudions deux façons différentes de combiner les deux cadres de conception proposées pour MPSoCs adaptatifs. Tout d'abord, ils sont combinés pour construire un flot de conception complet pour MPSoCs adaptatifs. Deuxièmement, ils sont combinés pour présenter la façon dont le manager run-time calculé par le second cadre peut être intégré dans le premier cadre afin de réaliser des simulations et des analyses combinées de MPSoCs adaptatifs.

La complexité croissante du matériel et du logiciel dans le développement des applications pour les systèmes embarqués induit de nouveaux besoins et de nouvelles contraintes en termes de fonctionnalités, de capacité de stockage, de calcul et de consommation d'énergie. Cela entraîne des difficultés accrues pour les concepteurs alors que les contraintes commerciales liées aux développement et à la production de ces systèmes demeurent impondérables. Un autre défi qui s'ajoute à cette complexité est le développement des applications avec de fortes exigences de sécurité et de fiabilité (S&D) pour des systèmes embarqués contraints en ressources (RCES). De ce fait, nous recommandons d'aborder cette complexité via la réutilisation d'un ensemble d'artefacts de modélisation dédiés. Le "patron" constitue l'artefact de base pour représenter des solutions S&D, à spécifier par les experts de ces aspects et à réutiliser par les ingénieurs pour résoudre les problèmes de l'ingénierie système/logicielle du domaine confrontée à ces aspects. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une approche d'ingénierie à base de modèles pour la spécification, le packaging et la réutilisation de ces artefacts pour modéliser et analyser ces systèmes. Le fondement de notre approche est un ensemble de langages de modélisation et des règles de transformation couplés à un référentiel orienté modèles et de moteurs de recherche et d'instantiation. Ces langages de modélisation permettent de spécifier les patrons, les systèmes de patrons et un ensemble de modèles de propriétés et de ressources. Ces modèles permettent de gouverner l'utilisation des patrons, leur organisation et leur analyse pour d'éventuel réutilisation. Pour les transformations, nous avons conçu un ensemble de règles pour l'analyse de la satisfiabilité des architectures logicielles à base de patrons S&D pour des plateformes matérielles à base de modèles de ressources. Pour le développement du référentiel, nous proposons un processus de spécification et de génération basé sur les langages de modélisation décrits au préalable. Les moteurs permettent de retrouver pour ensuite instantier ces artefacts vers des environnements de développement spécifiques.Dans le cadre de l'assistance pour le développement des applications S&D pour les RCES, nous avons implémenté une suite d'outils, basés sur Eclipse EMF/QVTO, pour supporter la spécification de ces artefacts et l'analyse des applications S&D autour d'un référentiel. Afin de faciliter l'utilisation de l'approche proposée, nous préconisons un ensemble de méthodes pour favoriser l'utilisation de cette suite d'outils tout au long du processus de développement. En outre, nous avons abordé la construction par génération automatique de référentiels orientés modèles, basée sur Eclipse EMF/QVTO et la plateforme Eclispe CDO, accompagné d'un ensemble d'outils pour le peuplement, l'accès et la gestion de ce référentiel. Les problèmes étudiés dans ce travail ont été identifiés dans le contexte du projet européen FP7 TERESA. Les solutions proposées ont ainsi été démontrées et évaluées dans le cadre de ce projet à travers un cas d'étude d'une application de contrôle, exhibant des exigences de fiabilité et de sécurité, pour les systèmes ferroviaires. / Non-functional requirements such as Security and Dependability (S&D) become more and more important as well as more and more difficult to achieve, particularly in embedded systems development. Such systems come with a large number of common characteristics, including real-time and temperature constraints, security and dependability as well as efficiency requirements. In particular, the development of Resource Constrained Embedded Systems (RCES) has to address constraints regarding memory, computational processing power and/or energy consumption. In this work, we propose a modeling environment which associates model-driven paradigm and a model-based repository, to support the design and the packaging of S&D patterns, resource models and their property models. The approach is based on a set of modeling languages coupled with a model-repository, search and instantiation engines towards specific development environments. These modeling languages allow to specify patterns, resources and a set of property models. These property models will allow to govern the use of patterns and their analysis for reuse. In addition, we propose a specification and generation process of repositories. As part of the assistance for the development of S&D applications, we have implemented a suite of tool-chain based on the Eclipse platform to support the different activities around the repository, including the analysis activities. The proposed solutions were evaluated in the TERESA project through a case study from the railway domain.

L'ingénierie des systèmes embarqués repose sur deux activités complémentaires : la modélisation d'une part permet dereprésenter le système, l'analyse d’autre part permet d'évaluer les diverses propriétés non-fonctionnelles (par exemple despropriétés temporelles via l'analyse d’ordonnancement temps réel). Cette thèse s'intéresse à l'intégration entre ces modèleset analyses: comment appliquer une analyse sur une modèle ? Comment gérer le processus d’analyse ? La première partie de cette thèse présente une approche globale afin de répondre à ces questions. Cette approche s'organise autour de quatre couches applicatives: (1) les modèles qui représentent le système, (2) les accesseurs qui permettent d'extraire des données à partir d'un modèle, (3) l'analyse qui traite des données en entrée pour produire des données ou propriétés en sortie, (4) des contrats qui décrivent les interfaces d'une analyse et permettent d'orchestrer le processus d'analyse. La seconde partie de cette thèse est dédiée à l'expérimentation de cette approche sur des systèmes réels provenant du domaine aérospatial : un drone, un robot explorateur et un système de gestion de vol. Nous montrons que les accesseurs permettent d’appliquer diverses analyses d’ordonnancement temps réel sur des modèles architecturaux hétérogènes, par exemples décrits avec le standard industriel AADL (Architecture Analysis and Design Language) ou le nouveau langage dirigé par le temps CPAL (Cyber-Physical Action Language). En outre, nous montrons que les contrats peuvent être utilisés afin d’automatiser des procédures d'analyse complexes : quelle analyse peut être appliquée sur unmodèle ? Quelles analyses remplissent les objectifs visés ? Peut-on combiner des analyses ? Y-a-t-il des interférences entreles analyses ? Etc. / The engineering of embedded systems relies on two complementary activities: modeling on the one hand enables torepresent the system, analysis on the other hand makes it possible to evaluate the various non-functional properties (forexample, temporal properties with the real-time scheduling analysis). This thesis deals with the integration between thesemodels and analyses: how to apply an analysis on a model? How to manage the analysis process? The first part of this thesis presents a comprehensive approach to answer these questions. This approach is based on four application layers: (1) models to represent the system, (2) accessors to extract data from a model, (3) analyses to computeoutput data and/or properties from input data (4) contracts to represent the analysis interfaces and orchestrate the analysisprocess. The second part of this thesis deals with the experimentation of this approach with concrete systems coming fromthe aerospace: a drone, an exploratory robot and a flight management system. We demonstrate that the accessors enable toapply various real-time scheduling analyses on heterogeneous architectural models, for example written with the industrystandard AADL (Architecture Analysis and Design Language) or the new time-triggered language CPAL (Cyber-PhysicalAction Language). In addition, contracts make it possible to automate complex analysis procedures: which analysis can beapplied on a given model? Which are the analyses that meet a given goal? Are there analyses to be combined? Are thereinterferences between analyses? Etc.

L’analyse de compromis d’un modèle système a pour but de minimiser ou de maximiser différents objectifs tels que le coût ou les performances. Les méthodes actuelles de type OOSEM avec SysML ou ARCADIA sont basées sur la classification ; il s’agit de définir les différentes variantes de l’architecture d’un système de base puis d’analyser ces variantes. Dans ces approches, les choix d’architecture sont contraints : la plateforme d’exécution et la topologie sont déjà figées. Nous proposons la notion de « points de décision » pour modéliser les différents choix du système, en utilisant de nouveaux stéréotypes. L’avantage est d’avoir une modélisation plus « compacte » des différentes variantes et de piloter l’exploration des variantes en utilisant des contraintes. Lorsque le concepteur définit l’architecture du système, des points de décisions sont insérés dans le modèle du système. Ils permettent de modéliser la redondance ou le choix d’une instance pour un composant, les variations des attributs d’un composant, ou l’allocation des activités sur les blocs. Les fonctions objectifs sont définies dans un contexte d’optimisation à l’aide du diagramme paramétrique de SysML. Nous proposons des transformations du modèle SysML vers un problème de satisfaction de contraintes pour l’optimisation (CSMOP) dont la résolution nous permet d’obtenir l’ensemble des architectures optimales. Cette transformation est implantée dans un démonstrateur (plug-in Eclipse) permettant une utilisation conjointe de l’outil Papyrus et de solveurs, disponibles sous forme de logiciels libres. La méthode est illustrée avec des cas d’étude constitués d’une caméra stéréoscopique puis d’un drone, l’ensemble étant modélisé avec Papyrus. / Finding the set of optimal architectures is an important challenge for the designer who uses the Model-Based System Engineering (MBSE). Design objectives such as cost, performance are often conflicting. Current methods (OOSEM with SysML or ARCADIA) are focused on the design and the analysis of a particular alternative of the system. In these methods, the topology and the execution platform are frozen before the optimization. To improve the optimization from MBSE, we propose a methodology combining SysML with the concept of “decision point”. An initial SysML model is complemented with “decisions points” to show up the different alternatives for component redundancy, instance selection and allocation. The constraints and objective functions are also added to the initial SysML model, with an optimiza-tion context and parametric diagram. Then a representation of a constraint satisfaction problem for optimization (CSMOP) is generated with an algorithm and solved with an existing solver. A demonstrator implements this transformation in an Eclipse plug-in, combining the Papyrus open-source tool and CSP solvers. Two case studies illustrate the methodology: a stereoscopic camera sensor module and a mission controller for an Unmanned Aerial Vehi-cle (UAV).

Les architectures modulaires intégrées (IMA) sont une évolution majeure de l'architecture des systèmes avioniques. Elles permettent à plusieurs systèmes de se partager des ressources matérielles sans interférer dans leur fonctionnement grâce à un partitionnement spatial (zones mémoires prédéfinies) et temporel (ordonnancement statique) dans les processeurs ainsi qu'une réservation des ressources sur les réseaux empruntés. Ces allocations statiques permettent de vérifier le déterminisme général des différents systèmes: chaque système doit respecter des exigences de bout-en-bout dans une architecture asynchrone. Une étude pire cas permet d'évaluer les situations amenant aux limites du système et de vérifier que les exigences de bouten- bout sont satisfaites dans tous les cas. Les architectures IMA utilisés dans les avions centralisent physiquement des modules de calcul puissants dans des baies avioniques. Dans le cadre d'une étude de cas hélicoptère, ces baies ne sont pas envisageables pour des raisons d'encombrement: des processeurs moins puissants, utilisés à plus de 80%, composent ces architectures. Pour ajouter de nouvelles fonctionnalités ainsi que de nouveaux équipements, le souhait est de distribuer la puissance de traitement sur un plus grand nombre de processeurs dans le cadre d'une architecture globale asynchrone. Deux problématiques fortes ont été mises en avant tout au long de cette thèse. La première est la répartition des fonctions avioniques associée à une contrainte d'ordonnancement hors-ligne sur les différents processeurs. La deuxième est la satisfaction des exigences de communication de bout-en-bout, dépendantes de l'allocation et l'ordonnancement des fonctions ainsi que des latences de communication sur les réseaux. La contribution majeure de cette thèse est la recherche d'un compromis entre la distribution des architectures IMA sur un plus grand nombre de processeurs et la satisfaction des exigences de communication de bout-en-bout. Nous répondons à cet enjeu de la manière suivante: - Nous formalisons dans un premier temps un modèle de partitions communicantes tenant en compte des contraintes d'allocation et d'ordonnancement des partitions d'une part et des contraintes de communication de bout-en-bout entre partitions d'autre part. - Nous présentons dans un deuxième temps une recherche exhaustive des architectures valides. Nous proposons l'allocation successive des fonctions avioniques en considérant au même niveau la problématique d'ordonnancement et la satisfaction des exigences de bout-en-bout avec des latences de communication figées. Cette méthode itérative permet de construire des allocations de partitions partiellement valides. La construction des ordonnancements dans chacun des processeurs est cependant une démarche coûteuse dans le cadre d'une recherche exhaustive. - Nous avons conçu dans un troisième temps une heuristique gloutonne pour réduire l'espace de recherche associé aux ordonnancements. Elle permet de répondre aux enjeux de distribution d'une architecture IMA dans un contexte hélicoptère. - Nous nous intéressons dans un quatrième temps à l'impact des latences de communication de bout-en-bout sur des architectures distribuées données. Nous proposons pour celles-ci les choix de réseaux basés sur les latences de communication admissibles entre les différentes fonctions avioniques. Les méthodes que nous proposons répondent au besoin industriel de l'étude de cas hélicoptère, ainsi qu'à celui de systèmes de plus grande taille. / Integrated Modular Architectures (IMA) is a major evolution of avionics systems. A spatial (predefined memory zones) and temporal (off-line scheduling) partitioning as well as communication resources reservation permit several systems not to interfere in this architecture. The determinism of systems is proved thanks to these static allocations: each system must respect end-to-end requirements in an asynchronous architecture. A worst-case study permits to assess the bounds of systems in order to verify that end-to-end requirements are satisfied in all the cases. IMA architectures physically centralize powerful computing resources in avionics bays in aircraft. These aren't feasible in helicopters due to size reasons: powerless processors, at least 80% used, set these architectures. In order to add new functionalities and equipment, the aim is to distribute processing power over a larger number of processors in the context of a globally asynchronous architecture. Two strong issues have been advanced throughout this thesis. The first one is the distribution of avionics functions with an off-line scheduling constraint on the different processors. The second one is the satisfaction of end-to-end requirements, depending on allocation and scheduling of functions as well as communication latencies over the networks. This thesis proposes a trade-off between the distribution of IMA architectures on a larger number of processors and the satisfaction of end-to-end communication requirements. We answer at this topic as follows: - First, we formalize a communicating partitions model based on the partitions allocation and scheduling constraints on the one hand and end-to-end communication constraints on the other hand. - Second, we present an exhaustive search of valid architectures. We introduce a successive allocation of avionics functions considering altogether the scheduling and the satisfaction of end-to-end constraints with fixed communication latencies. This iterative method allows the building of partially valid allocations schemes, but the scheduling search is expensive here. - Third, we create a greedy heuristic to reduce the scheduling search space. It permits to meet the challenges of the distribution of IMA architecture in a helicopter context. - Finally, we focus on the impact of end-to-end communication latencies on given distributed architectures. We define for them the networks based on eligible communication latencies between the different avionics functions. Our methods answer the industrial case study needs as well as bigger size systems needs.

Le développement de l'électronique dans les systèmes embarqués à application aéronautique, spatial, ou encore automobile est alimenté par des performances croissantes, une intégration poussée et des coûts attractifs, permettant aux industriels d'offrir des solutions techniques et économiques concurrentielles. Néanmoins, cette évolution rapide nécessite une remise en cause permanente des méthodes de conception des systèmes embarqués, dont on doit garantir la maîtrise du comportement dans des environnements sévères. En particulier, la maîtrise de la compatibilité électromagnétique (CEM) est un élément clé de la réussite des challenges d'intégration et d'évolution technologique. Cette étude décrit les différentes phases de modélisation de l’immunité d’un circuit intégré analogique, basée sur les informations techniques non confidentielles données par le fabricant du circuit intégré et l’extraction des modèles électriques des éléments du circuit imprimé. Notre travail apporte un cas d’étude dans le cadre d’une proposition de norme "IEC" (International Electrotechnical Commission) sous la référence IEC-62433. De plus, dans ce mémoire, nous mettons en évidence l’impact du vieillissement des composants électroniques sur les performances CEM. Différentes technologies et types de circuits intégrés sont étudiés pour apporter une analyse qualitative sur l’évolution des paramètres CEM après une certaine durée de vie. Nous proposons une méthodologie de qualification pour apprécier l’évolution des marges CEM sous la dénomination « fiabilité électromagnétique ». Cette méthode, basée sur des procédés expérimentaux et statistiques, permet de caractériser l’impact du vieillissement des composants électroniques sur les paramètres CEM. Ces travaux mettent en évidence l’intérêt d’introduire le facteur « effet du temps » dans nos modèles d’immunité afin de garantir la compatibilité électromagnétique de nos systèmes électroniques embarqués tout au long de leur profil de mission / The development of electronic embedded systems in aerospace application, spatial, or automotive is powered by increased performance, advanced integration and attractive prices, enabling manufacturers to offer technical solutions and economic competitiveness. However, this rapid evolution necessitates a questioning of permanent methods of designing embedded systems that must guarantee the control of behavior in severe environments. In particular, the control of electromagnetic compatibility "EMC" is importante of successful challenges of integration and evolution technology. This study describes the various stages of immunity modeling an analog integrated circuit, based on non-confidential technical information given by the manufacturer of the integrated circuit and models extraction of electrical printed circuit board. Our work provides a case study in the context of standard proposal "IEC" (International Electrotechnical Commission) under reference IEC-62433. Moreover, in this repport we show the impact of aging electronic components on EMC performance. Different types of technologies and integrated circuits are designed to provide a qualitative analysis on the evolution of EMC parameters after a period lifetime. We propose a methodology for qualification of the evolution of EMC margins under the name "electromagnetic reliability". This method, based on experimental methods and statistics, used to characterize the impact of the aging of electronics components on the EMC parameters. These works demonstrate the interest of introducing the factor "time effect" in our immunity models to ensure the electromagnetic compatibility of our electronics systems throughout their mission profile

De nos jours, une forte croissance des objets connectés est constatée, dépassant même la population mondiale. Devant l'ampleur de ce phénoméne, l'efficacité énergétique des objets communicants est une sérieuse problématique. La maximisation de leur durée de vie est requise pour assurer une qualité de service. Dans cette optique, les travaux de cette thèse visent à optimiser la consommation énergétique des communications sans fil dans un réseau de capteurs. Le télé-réveil, un concept imaginé depuis une dizaine d'années, consiste au déclenchement du réveil du noeud communicant par un signal radio à distance. Par défaut, le noeud reste en mode veille de façon permanente à très basse consommation. Au besoin, il peut être réveillé à la demande par un signal radio spécifique. Ainsi, la consommation énergétique du module radio est grandement réduite par l'écoute passive du canal en mode veille. Ce principe de télé-réveil nécessite toutefois le développement de nouvelles architectures matérielles associées à des protocoles de communication adaptés et innovants. Malgré les propositions récentes, le niveau de maturité technologique n'a pas encore été atteint sur ce sujet. Par conséquent, un système de télé-réveil est proposé dans cette thèse, en incluant une caractérisation théorique de ses performances. Le récepteur de télé-réveil consomme 363 nW en mode veille contre 49,8 µW en mode de réception. De plus, deux nouveaux protocoles de télé-réveil DoRa et DC-DoRa sont proposés avec une évaluation de leurs performances par simulation. Les résultats obtenus montrent que ces protocoles de télé-réveil diminuent fortement l'énergie consommée par le module radio, en comparaison des protocoles MAC actuellement utilisés dans les réseaux de capteur. Enfin, la mise en œuvre expérimentale du système et des protocoles de télé-réveil a permis de mesurer les performances réelles de notre approche dans un environnement de surécoute et d'interférence. / Nowadays, a significant growth of connected things is observed, exceeding even the worldpopulation. Given the magnitude of this phenomenon, the energy efficiency of communicatingobjects is a crucial issue. Maximizing their lifetime is necessary to ensure a qualityof service. In this regard, the aim of this thesis is to optimize the energy consumption ofwireless communications in a wireless sensor network.The concept of wake-up radio was created a decade ago, which consists of waking up thecommunicating node by a remote radio signal. By default, the node remains in sleepingmode at a very low power consumption. If needed, the node can be woken up on demandthrough a specific radio signal. Thus, the energy consumption of the radio module is greatlyreduced by idle listening to the channel in sleeping mode. However, this wake-up radioprinciple requires the development of new hardware architectures associated with adaptedand innovative communication protocols. Despite recent proposals, the level of technologymaturity has not yet been reached on this subject.Therefore, a wake-up radio system is proposed in this thesis, including a theoreticalcharacterization of its performances. The wake-up receiver consumes 363 nW in sleepingmode and 49.8 µW in receiving mode. Moreover, two new protocols called DoRa and DC-DoRaare proposed with an evaluation of their performances by simulation. The resultsshow that these wake-up radio protocols greatly reduce the energy consumed by the radiomodule, compared to the MAC protocols currently used in wireless sensor networks. Finally,the experimental implementation of the wake-up radio system and protocols enabled thereal performance measurement of our approach in an environment with overhearing andinterference.

Cette thèse présente une méthode de navigation autonome d’un véhicule routier robotisé dans un contexte de l’interaction conducteur - véhicule, dans lequel le conducteur humain et le système de navigation autonome coopèrent dans le but d’associer les avantages du contrôle manuel et automatique. La navigation du véhicule est réalisée en parallèle par le conducteur humain et le système de conduite automatique, basée sur la perception de l’environnement. La navigation coopérative est basée sur l’analyse et correction des gestes du conducteur humain par le système intelligent, dans le but d’exécuter une tâche de navigation locale qui concerne le suivie de voie avec évitement d’obstacles. L’algorithme d’interaction humain-véhicule est basé sur des composants de navigation référencée capteurs formés par des contrôleurs d’asservissement visuel (VS) et la méthode d’évitement d’obstacle « Dynamic Window Approach (DWA) » basée sur la grilles d’occupation. Ces méthodes prennent en entrée la perception de l’environnement fournie par des capteurs embarqués comprenant un système monovision et un LIDAR. Dû à des impossibilités techniques/légales, nous n’avons pas pu valider nos méthodes sur notre véhicule robotisé (une Renault Zoé robotisée), ainsi nous avons construit des structures « driver-in-theloop » dans des environnements de simulation Matlab et SCANeRTM Studio. En Matlab, le conducteur humain est modélisé par un algorithme appelé « Human Driver Behaviour controller (HDB) », lequel génère des gestes de conduite dangereux dans la partie manuelle de l’entrée de commande du système coopératif. En SCANeR Studio, la sortie de l’HDB est remplacée par des commandes manuelles générées directement par un conducteur humain dans l’interface utilisateur du simulateur. Des résultats de validation dans les deux environnements de simulation montrent la faisabilité et la performance du système de navigation coopérative par rapport aux tâches de suivie de voie, l’évitement d’obstacles et le maintien d’une distance de sécurité. / This thesis presents an approach of cooperative navigation control pattern for intelligent vehicles in the context of human-vehicle interaction, in which human driver and autonomous servoing system cooperate for the purpose of benefiting from mutual advantages of manual and auto control. The navigation of the vehicle is performed in parallel by the driver and the embedded intelligent system, based on the perception of the environment. The cooperative framework we specify concerns the analysis and correction of the human navigation gestures by the intelligent system for the purpose of performing local navigation tasks of road lane following with obstacle avoidance. The human-vehicle interaction algorithm is based on autonomous servoing components as Visual Servoing (VS) controllers and obstacle avoidance method Dynamic Window Approach (DWA) based on Occupancy Grid, which are supported by the environment perception performed carried out by on-boarded sensors including a monovision camera and a LIDAR sensor. Given the technical/legal impossibility of validating our interaction method on our robotic vehicle (a robotic Renault Zoé), the driver-in-the-loop structures of system are designed for simulative environment of both Matlab and SCANeRTM Studio. In Matlab environment human driver is modeled by a code-based Human Driver Behaviour (HDB) Controller, which generates potential dangerous behaviors on purpose as manual control of the cooperative system. In SCANeR Studio environment the HDB is replaced by real-time manual command (a real human driver) via driving interface of this simulator. Results of simulative validation show the feasibility and performance of the cooperative navigation system with respect to tasks of driving security including road lane following, obstacle avoidance and safe distance maintenance.

Ce travail de thèse porte sur le comportement en vol de drones légers à voilure fixe en présence de vent. Ces dispositifs aériens offrent une transition en douceur de la théorie à la pratique dans le domaine de la commande autonome. En outre, ils fournissent une solution appropriée dans des environnements inaccessibles ou dangereux pour les êtres humains. Cependant, ne pas avoir un pilote humain à bord implique que les UAV reposent sur l'automatisation pour naviguer ou pour éviter les obstacles. De plus, leur vitesse de fonctionnement relativement faible les rend particulièrement affectés par le vent. Motivé par ces considérations, les objectifs de ce travail de recherche visent des résultats théoriques et expérimentaux dans le domaine de la conception de contrôleurs de vol pour les petits drones à voilure fixe de configuration classique permettant le vol stable dans les conditions de vent. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs domaines de recherche sont abordés dans cette thèse comme il suit.Tout d'abord, une étude approfondie sur l'aspect aérodynamique de l'avion est menée afin d'obtenir le modèle mathématique du véhicule en présence de vent. En outre, des modèles qui reproduisent le comportement essentiel du système dans un contexte simplifié sont analysés. Par conséquent, des modèles non linéaires de complexité réduite, qui sont plus simples à analyser et simuler et plus adaptés à la conception de stratégies de contrôle, sont présentés. Deuxièmement, le problème à résoudre est formulé comme un problème de suivi de trajectoire dans lequel le dispositif de commande de vol doit être en mesure de diriger le véhicule le long d'un chemin. Des stratégies de navigation sont élaborées dans le but d'éliminer la déviation de l'avion par rapport à la trajectoire de référence. Le vent est considéré d'abord mesurable par une station au sol et, ensuite, estimé en utilisant une navigation adaptative basée sur la théorie de Lyapunov. La performance de l'algorithme d'estimation est améliorée en utilisant la stratégie de commande basée sur la méthode des fonctions de réglage. Le troisième axe de recherche est la conception et la mise en œuvre d'un dispositif expérimental qui se compose d'une station au sol utilisée pour la visualisation et la commande à distance du drone et d'un pilote automatique embarqué contenant la plate-forme de vol munie d'avionique appropriée. / This research work addresses the flight behavior of lightweight fixed-wing UAVs in windy conditions. Such aerial devices offer a smooth transition of autonomous flight control design from theory to practice in addition to providing a proper solution in environments inaccessible or dangerous to human beings. However, not having a human pilot onboard implies that UAVs rely on automation to navigate or to avoidobstacles. In addition, their relatively low operating speed makes them particularly affected by the wind field.Motivated by theses considerations, the objectives of the current research aim theoretical and experimental results in designing flight controllers for small fixed-wing UAVs of conventional configuration allowing for stable flight in windy conditions. In order to achieve these objectives, several research areas are being addresses in this thesis as it follows. First, a comprehensive study on the aerodynamic aspect of the aiplane in conducted in order to obtain the mathematical model of the aircraft in presence of wind. Further, models thet reproduce the essential behavior of the system in a simplified context are analyzed. consequently, nonlinear models of reduced complexity, that are easier to analyze and simulate and more adapted to the design of control strategies, are presented. Secondly, the problem to be solved is formulated as a trajectory following problem in which the flight controller must be able to steer the vehicle along a path. Navigation strategies are developed in order to minimize the airplane deviation relative to the reference trajectory. the wind is considered initially measurable by a ground station and, then, estimated using adaptative navigation based on the theory of Lyapunov. The performance of the estimation algorithm is improved using control design based on thr tuning functions method. The third axis of research is the design and the implementation of an experimental setup which consists of a ground station used for visualization and control purposes and an embedded autopilot architecture containing the airframe platform equipped with appropriate avionics.

Dans plusieurs tâches de la robotique, la vision est considérée comme l’élément essentiel avec lequel la perception de l’environnement ou l’interaction avec d’autres utilisateurs peut se réaliser. Néanmoins, les artefacts potentiellement présents dans les images capturées rendent la tâche de reconnaissance et d’interprétation de l’information visuelle extrêmement compliquée. Il est de ce fait, très important d’utiliser des primitives robustes, stables et ayant un taux de répétabilité élevé afin d’obtenir de bonnes performances. Cette thèse porte sur les problèmes de localisation et de détection de fermeture de boucle d’un robot mobile en utilisant la saillance visuelle. Les résultats en termes de précision et d’efficacité des applications de localisation et de détection de fermeture sont évalués et comparés aux résultats obtenus avec des approches de l’état de l’art sur différentes séquences d’images acquises en milieu extérieur. Le principal inconvénient avec les modèles proposés pour l’extraction de zones de saillance est leur complexité de calcul, ce qui conduit à des temps de traitement important. Afin d’obtenir un traitement en temps réel, nous présentons dans ce mémoire l’implémentation du détecteur de régions saillantes sur la plate forme reconfigurable DreamCam. / In several tasks of robotics, vision is considered to be the essential element by which the perception of the environment or the interaction with other users can be realized. However, the potential artifacts in the captured images make the task of recognition and interpretation of the visual information extremely complicated. It is therefore very important to use robust, stable and high repeatability rate primitives to achieve good performance. This thesis deals with the problems of localization and loop closure detection for a mobile robot using visual saliency. The results in terms of accuracy and efficiency of localization and closure detection applications are evaluated and compared to the results obtained with the approaches provided in literature, both applied on different sequences of images acquired in outdoor environnement. The main drawback with the models proposed for the extraction of salient regions is their computational complexity, which leads to significant processing time. To obtain a real-time processing, we present in this thesis also the implementation of the salient region detector on the reconfigurable platform DreamCam.