Ce travail présente un système de vision par ordinateur capable de faire un suivi du mouvement en 3D de la tête d’une personne dans le cadre de la conduite automobile. Ce système de vision par ordinateur a été conçu pour faire partie d'un système intégré d’analyse du comportement des conducteurs tout en remplaçant des équipements et des accessoires coûteux, qui sont utilisés pour faire le suivi du mouvement de la tête, mais sont souvent encombrants pour le conducteur. Le fonctionnement du système est divisé en quatre étapes : l'acquisition d'images, la détection de la tête, l’extraction des traits faciaux, la détection de ces traits faciaux et la reconstruction 3D des traits faciaux qui sont suivis. Premièrement, dans l'étape d'acquisition d'images, deux caméras monochromes synchronisées sont employées pour former un système stéréoscopique qui facilitera plus tard la reconstruction 3D de la tête. Deuxièmement, la tête du conducteur est détectée pour diminuer la dimension de l’espace de recherche. Troisièmement, après avoir obtenu une paire d’images de deux caméras, l'étape d'extraction des traits faciaux suit tout en combinant les algorithmes de traitement d'images et la géométrie épipolaire pour effectuer le suivi des traits faciaux qui, dans notre cas, sont les deux yeux et le bout du nez du conducteur. Quatrièmement, dans une étape de détection des traits faciaux, les résultats 2D du suivi sont consolidés par la combinaison d'algorithmes de réseau de neurones et la géométrie du visage humain dans le but de filtrer les mauvais résultats. Enfin, dans la dernière étape, le modèle 3D de la tête est reconstruit grâce aux résultats 2D du suivi et ceux du calibrage stéréoscopique des caméras. En outre, on détermine les mesures 3D selon les six axes de mouvement connus sous le nom de degrés de liberté de la tête (longitudinal, vertical, latéral, roulis, tangage et lacet). La validation des résultats est effectuée en exécutant nos algorithmes sur des vidéos préenregistrés des conducteurs utilisant un simulateur de conduite afin d'obtenir des mesures 3D avec notre système et par la suite, à les comparer et les valider plus tard avec des mesures 3D fournies par un dispositif pour le suivi de mouvement installé sur la tête du conducteur. / This work presents a computer vision module capable of tracking the head motion in 3D space for drivers. This computer vision module was designed to be part of an integrated system to analyze the behaviour of the drivers by replacing costly equipments and accessories that track the head of a driver but are often cumbersome for the user. The vision module operates in five stages: image acquisition, head detection, facial features extraction, facial features detection, and 3D reconstruction of the facial features that are being tracked. Firstly, in the image acquisition stage, two synchronized monochromatic cameras are used to set up a stereoscopic system that will later make the 3D reconstruction of the head simpler. Secondly the driver’s head is detected to reduce the size of the search space for finding facial features. Thirdly, after obtaining a pair of images from the two cameras, the facial features extraction stage follows by combining image processing algorithms and epipolar geometry to track the chosen features that, in our case, consist of the two eyes and the tip of the nose. Fourthly, in a detection stage, the 2D tracking results are consolidated by combining a neural network algorithm and the geometry of the human face to discriminate erroneous results. Finally, in the last stage, the 3D model of the head is reconstructed from the 2D tracking results (e.g. tracking performed in each image independently) and calibration of the stereo pair. In addition 3D measurements according to the six axes of motion known as degrees of freedom of the head (longitudinal, vertical and lateral, roll, pitch and yaw) are obtained. The validation of the results is carried out by running our algorithms on pre-recorded video sequences of drivers using a driving simulator in order to obtain 3D measurements to be compared later with the 3D measurements provided by a motion tracking device installed on the driver’s head.

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Les entraînements électriques à grande plage de vitesse sont des ensembles convertisseur machine qui se caractérisent par un couple à faible vitesse supérieur au couple à haute vitesse, comme dans le cas des applications de traction. Leur performance dépend fortement de la puissance apparente du convertisseur, des impédances de la machine et de la loi de commande utilisée. Les méthodes de conception qui séparent la conception de la machine de celle de l'onduleur et de celle de la loi de commande ne permettent pas toujours de trouver une solution adéquate. Il est donc nécessaire de réaliser une optimisation globale de tout l'ensemble convertisseur - machine - système de contrôle. Lors de l'optimisation, le nombre d'itérations pour arriver à une solution est important et le temps de calcul est un facteur à considérer. Ce travail présente des méthodes analytiques de modélisation adaptées pour l'optimisation des systèmes d'entraînement. Les méthodes se basent sur une modélisation de la machine sous la forme d'un circuit équivalent et une modélisation du convertisseur sous la forme de contraintes de fonctionnement. Elles permettent de calculer rapidement les courants, les tensions, les pertes, le couple, la commande et les performances pour les différents points de fonctionnement du cahier des charges. Ces modèles sont illustrés par des exemples de conception des systèmes de traction et d'un alternateur de voiture. Ce travail présente aussi un analyse des machines polyphasées en mode dégradé en utilisant les modèles développés. / A wide-speed-range electric drive is a system composed of a static converter and an electric motor that produce high torque at low speed and low torque at high speed, as in the case of a traction application. The performance is strongly influenced by the apparent power of the inverter, the impedances of the machine and the control law. The design methods that separate the design of the machine, the static converter and the control law do not always find an adequate solution. It is so necessary to carry a global optimization of the whole system. When optimizing the number of iterations is very important and the computation time is an important factor. This work presents analytic modeling methods suited for the optimization of drive systems. The methods are based in an equivalent circuit machine model and operating constraint model of the static converter. The methods rapidly calculate the currents, voltages, losses, torque, control law and performances of the different operating points of the system design specification. Those models are illustrated with traction system design examples and a car alternator design example. This work also presents an analysis of polyphase machines in fault modes.

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Ce travail présente une méthode de calcul rapide de déformations et de forces mécaniques destinée à la simulation d'applications chirurgicales. La simulation de chirurgie vise à offrir aux praticiens des outils leur permettant de pratiquer des entraînements intensifs et de pouvoir planifier avec précision certaines interventions. La conception de tels simulateurs nécessite de disposer de modèles géométriques et mécaniques précis des organes du corps humain, et d'algorithmes de calcul suffisamment rapides pour être capable d'utiliser ces modèles dans des conditions de temps réel. La plupart des simulateurs existants utilisent des modèles mécaniques extrêmement simples, basés sur les lois de l'élasticité linéaire. Or de nombreux résultats de biomécanique indiquent que les tissus biologiques se comportent selon des lois beaucoup plus complexes, incluant des effets non-linéaires et visco-élastiques importants. Pour cette raison, nous avons développé une méthode permettant le calcul rapide de déformations et de forces incluant des effets mécaniques non-linéaires et visco-élastiques. Cette méthode utilise la théorie des éléments finis et a été conçue comme une extension de l'algorithme dit des masses-tenseurs pour l'élasticité linéaire. Son principe consiste à pré-calculer un certain nombre de tenseurs dépendant des caractéristiques géométriques et mécaniques de chaque élément fini, qui sont ensuite combinés dans la phase de simulation proprement dite. Notre modèle non-linéaire ne présage d'aucune forme particulière de loi mécanique, de sorte que la méthode proposée est suffisamment générique pour s'appliquer à une grande variété de comportements et d'objets. Après la description de l'algorithme, de ses performances en terme de temps de calcul et de ses conditions de stabilité numérique, nous démontrons que cette méthode est capable de reproduire avec précision le comportement mécanique d'un tissu biologique mou. Ce travail s'inscrivant plus spécifiquement dans le cadre du développement d'un système de simulation de la cryochirurgie du foie, nous avons étudié expérimentalement les propriétés du foie lors de sa perforation par une aiguille à biopsie. Le modèle de masses-tenseurs non-linéaire et visco-élastique construit à l'aide des paramètres expérimentaux a pu reproduire avec une bonne précision les propriétés observées. / This work presents a method for the fast computation of mechanical deformations and forces for the simulation of surgical applications. Surgery simulation aims at providing physicians with tools allowing extensive training and precise planning of given interventions. The design of such simulation systems requires accurate geometrical and mechanical models of the organs of the human body, as well as fast computation algorithms suitable for real-time conditions. Most existing simulation systems use very simple mechanical models, based on the laws of linear elasticity. Numerous biomechanical results yet indicate that biological tissues exhibit much more complex behaviour, including important non-linear and visco-elastic effects. For this reason, we developed a method allowing the fast computation of mechanical deformations and forces including non-linear and visco-elastic effects. This method uses finite element theory and has been constructed as an extension of the so-called tensor-mass algorithm for linear elasticity. It consists in pre-computing a set of tensors depending on the geometrical and mechanical properties of each finite element, which are later combined in the simulation part itself. Our non-linear model does not assume any particular form of mechanical law, so that the proposed method is generic enough to be applied to a wide variety of behaviours and objects. Following the description of the algorithm, of its performances in terms of computation time, and of its numerical stability conditions, we show that this method allows to reproduce the mechanical behaviour of a biological soft tissue with good precision. As this project is part of a broader effort aiming more specifically at developing a simulation system for liver cryosurgery, we experimentally characterized the properties of liver in perforation by a biopsy needle. The non-linear and visco-elastic tensor-mass model constructed from experimental parameters succeeded in accurately reproducing the observed properties.

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Parmi les différentes structures de machines électriques existantes, les machines à flux transverse (MFT) sont reconnues pour leur fort couple massique et volumique. Malgré cet avantage, leur complexité et leur coût de fabrication élevés font que ce type de machine ne dépasse que rarement le stade de prototype. De plus, d’importantes pertes fer dues à des fréquences de fonctionnement élevées limitent encore l’utilisation de ces machines aux applications basse vitesse et fort couple : la MFT est alors principalement utilisée dans des dans les aérogénérateurs à attaque directe et dans certaines applications de traction électrique (bus, automobile, tram, navire, …). Le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit dans le cadre du développement d’une nouvelle configuration de MFT : la MFT à griffe ou claw-pole, à stator hybride. Grâce à l’utilisation combinée de tôles électriques et de poudre de fer au stator de la machine, les pertes fer de cette configuration de MFT sont considérablement réduites et sa fabrication grandement simplifiée. Le concept de stator hybride peut être exploité pour réduire les pertes fer de la MFT encore davantage, par l’emploi de matériaux possédant des propriétés magnétiques supérieures à celles des matériaux actuellement utilisés au stator de la machine. L’effet de la substitution des noyaux de tôles électriques au stator par des noyaux fabriqués à partir de matériaux amorphes est étudié dans ce mémoire. Des mesures expérimentales de pertes fer permettent, dans un premier temps, de prouver la réduction des pertes totales d’une MFT claw-pole à stator hybride monopolaire utilisant des noyaux amorphes. Dans un second temps, des simulations par éléments finis couplées à des résultats expérimentaux montrent l’augmentation du rendement d’une MFT complète à noyaux amorphes et le maintien de ce dernier à un niveau élevé à des fréquences de fonctionnement supérieures à 400 Hz. / Transverse flux machines (TFM) are known for their excellent torque-to-mass and torque-to-volume ratio when compared to conventional machines. Despite this advantage, they have some serious shortcomings like complex construction and high cost, explaining why TFM that can be found in the literature are usually only prototypes. Moreover, the TFM shows a dependence of its force density upon its pole pitch and airgap thickness, which leads to high electrical frequencies and thus to high core losses. For all these reasons, this type of machine could be considered in high-torque low-speed applications such as wind turbines or electrical traction drives. The work presented in this document contributes to the development of a new TFM configuration: the claw-pole TFM with hybrid stator (CPTFMHS). Such a stator built from a combination of Fe-Si laminations and powdered iron (SMC), enables reducing iron losses significantly and improving the ease of manufacturing of the machine. The concept of the hybrid stator can be further developed by using new magnetic materials with lower specific losses. The substitution of Fe-Si laminations by amorphous cores in the stator of the CPTFMHS is studied in this work and presented here. Experimental measurements are conducted on a one-pole pair CPTFMHS machine with an amorphous core: the results show a reduction of the total iron losses, thus proving benefits of amorphous cores used in the machine. Finite element simulations coupled with experimental measurements lead to the following conclusion: the efficiency of a CPTFMHS machine can be maintained to a high level at frequencies above 400 Hz, thanks to the use of amorphous cores, which may not be possible with Fe-Si laminations.

La Thermographie de Phase Pulsée (TPP) est une technique d’Évaluation Non-Destructive basée sur la Transformée de Fourier pouvant être considérée comme étant le lien entre la Thermographie Pulsée, pour laquelle l’acquisition de données est rapide, et la Thermographie Modulée, pour laquelle l’extraction de la profondeur est directe. Une nouvelle technique d’inversion de la profondeur reposant sur l’équation de la longueur de diffusion thermique : μ=(α /πf)½, est proposée. Le problème se résume alors à la détermination de la fréquence de borne fb, c à d, la fréquence à laquelle un défaut à une profondeur particulière présente un contraste de phase suffisant pour être détecté dans le spectre des fréquences. Cependant, les profils de température servant d’entrée en TPP, sont des signaux non-périodiques et non-limités en fréquence pour lesquels, des paramètres d’échantillonnage Δt, et de troncature w(t), doivent être soigneusement choisis lors du processus de discrétisation du signal. Une méthodologie à quatre étapes, basée sur la Dualité Temps-Fréquence de la Transformée de Fourier discrète, est proposée pour la détermination interactive de Δt et w(t), en fonction de la profondeur du défaut. Ainsi, pourvu que l’information thermique utilisée pour alimenter l’algorithme de TPP soit correctement échantillonnée et tronquée, une solution de la forme : z=C1μ, peut être envisagée, où les valeurs expérimentales de C1 se situent typiquement entre 1.5 et 2. Bien que la détermination de fb ne soit pas possible dans le cas de données thermiques incorrectement échantillonnées, les profils de phase exhibent quoi qu’il en soit un comportement caractéristique qui peut être utilisé pour l’extraction de la profondeur. La fréquence de borne apparente f’b, peut être définie comme la fréquence de borne évaluée à un seuil de phase donné φd et peut être utilisée en combinaison avec la définition de la phase pour une onde thermique : φ=z /μ, et le diamètre normalisé Dn=D/z, pour arriver à une expression alternative. L'extraction de la profondeur dans ce cas nécessite d'une étape additionnelle pour récupérer la taille du défaut. / Pulsed Phase Thermography (PPT) is a NonDestructive Testing and Evaluation (NDT&E) technique based on the Fourier Transform that can be thought as being the link between Pulsed Thermography, for which data acquisition is fast and simple; and Lock-In thermography, for which depth retrieval is straightforward. A new depth inversion technique using the phase obtained by PPT is proposed. The technique relies on the thermal diffusion length equation, i.e. μ=(α /π·f)½, in a similar manner as in Lock-In Thermography. The inversion problem reduces to the estimation of the blind frequency, i.e. the limiting frequency at which a defect at a particular depth presents enough phase contrast to be detected on the frequency spectra. However, an additional problem arises in PPT when trying to adequately establish the temporal parameters that will produce the desired frequency response. The decaying thermal profiles such as the ones serving as input in PPT, are non-periodic, non-band-limited functions for which, adequate sampling Δt, and truncation w(t), parameters should be selected during the signal discretization process. These parameters are both function of the depth of the defect and of the thermal properties of the specimen/defect system. A four-step methodology based on the Time-Frequency Duality of the discrete Fourier Transform is proposed to interactively determine Δt and w(t). Hence, provided that thermal data used to feed the PPT algorithm is correctly sampled and truncated, the inversion solution using the phase takes the form: z=C 1 μ, for which typical experimental C 1 values are between 1.5 and 2. Although determination of fb is not possible when working with badly sampled data, phase profiles still present a distinctive behavior that can be used for depth retrieval purposes. An apparent blind frequency f’b , can be defined as the blind frequency at a given phase threshold φd , and be used in combination with the phase delay definition for a thermal wave: φ=z /μ, and the normalized diameter, Dn=D/z, to derive an alternative expression. Depth extraction in this case requires an additional step to recover the size of the defect. / La Termografía de Fase Pulsada (TFP) es una técnica de Evaluación No-Destructiva basada en la Transformada de Fourier y que puede ser vista como el vínculo entre la Termografía Pulsada, en la cual la adquisición de datos se efectúa de manera rápida y sencilla, y la Termografía Modulada, en la que la extracción de la profundidad es directa. Un nuevo método de inversión de la profundidad por TFP es propuesto a partir de la ecuación de la longitud de difusión térmica: μ=(α /π·f)½. El problema de inversion se reduce entonces a la determinación de la frecuencia límite fb (frecuencia a la cual un defecto de profundidad determinada presenta un contraste de fase suficiente para ser detectado en el espectro de frecuencias). Sin embargo, las curvas de temperatura utilizadas como entrada en TFP, son señales no-periódicas y no limitadas en frecuencia para las cuales, los parámetros de muestreo Δt, y de truncamiento w(t), deben ser cuidadosamente seleccionados durante el proceso de discretización de la señal. Una metodología de cuatro etapas, basada en la Dualidad Tiempo-Frecuencia de la Transformada de Fourier discreta, ha sido desarrollada para la determinación interactiva de Δt y w(t), en función de la profundidad del defecto. Así, a condición que la información de temperatura sea correctamente muestreada y truncada, el problema de inversión de la profundidad por la fase toma la forma : z=C 1 μ, donde los valores experimentales de C 1 se sitúan típicamente entre 1.5 y 2. Si bien la determinación de fb no es posible en el caso de datos térmicos incorrectamente muestreados, los perfiles de fase exhiben de cualquier manera un comportamiento característico que puede ser utilizado para la extracción de la profundidad. La frecuencia límite aparente f’b , puede ser definida como la frecuencia límite evaluada en un umbral de fase dado φd , y puede utilizarse en combinación con la definición de la fase para una onda térmica: φ=z /μ, y el diámetro normalizado Dn , para derivar una expresión alternativa. La determinación de la profundidad en este caso, requiere de una etapa adicional para recuperar el tamaño del defecto.