Un cadre théorique classique pour expliquer comment les mouvements volontaires sont générés et optimisés implique l'existence d'un modèle interne basé sur les conséquences sensorielles de ses propres actions. Le cervelet est souvent considéré comme une structure où ces modèles pourraient être efficacement stockés et mis-à-jour. Parmi tous les systèmes sensoriels, le système vestibulaire est probablement celui où la plus grande proportion de stimuli est auto-générés et pourtant peu étudié en conditions actifs. Pour appréhender le rôle du vestibulo-cervelet, nous avons enregistré des cellules de Purkinje du nodulus en condition active chez le rongeur, associé à l'enregistrement quantitatif des signaux inertiels produits par les mouvements de la tête. Cela a nécessité le développent d'outils de mesure adaptés au petit animal. Ces outils, absents du commerce, sont capable d'enregistrer, et cela sans aucun câble, les mouvements inertiels (accélération linéaire et vitesse angulaire) de celui ci offrant une représentation des informations vestibulaires. Les résultats présentés dans cette thèse montrent que, au moins dans des conditions actives, les cellules de Purkinje présentent une sensibilité sélective à certaines composantes du mouvement de la tête. La diversité des réponses observées démontre de plus que chaque cellule possède son propre " champ récepteur vestibulaire ". Il a ainsi été montré que certaines cellules avaient un champ récepteur en coordonnées égocentriques et d'autres allocentriques. Cette distinction s'inscrit dans le problème général de la transformation par le cervelet des coordonnées vestibulaires et de la représentation de l'environnement. / A classical and theoretical explaining framework how voluntary movements are generated and optimized implies the existence of an internal model based on the sensory consequences of own actions. The cerebellum is often considered as a structure where the models could be effectively stored and made-to-day. Of all the sensory systems, the vestibular system is probably one where the largest proportion of stimuli are self-generated but yet little studied in active conditions. To understand the role of the vestibular-cerebellum, we recorded Purkinje cells from nodulus in active condition in rodents associated with quantitative recording of inertial signals produced by head motion. This required developing the measurement tools adapted to small animals. These tools, absent of trade, are capable of recording, without any cables, the inertial movement (linear acceleration and angular velocity) of this one as a representation of vestibular information. The results presented in this thesis show that, at least in active condition, Purkinje cells exhibit selective sensitivity to certain components of the head movement. The diversity of responses observed further demonstrates that each cell has its own "vestibular receptive field". It has thus been shown that some cells have a receptive field in egocentric coordinates while others allocentric. This results is part of the general problem of the coordinate transformation and of the environment representation by the vestibular cerebellum.

Les Tubes à Ondes Progressives (TOP), utilisés pour amplifier des signaux hyperfréquences, présentent un comportement non-linéaire pour des puissances d'entrée élevées, ce qui limite leurs performances. Ce travail vise à améliorer la linéarité des TOP, et propose une solution consistant à injecter, en plus d'une l'onde fondamentale F, sa seconde harmonique 2F, afin d'améliorer la puissance de sortie.<br /><br />Une étude théorique approfondie de la non-linéarité dans les TOP a identifié la "saturation inertielle", comme un aspect essentiel de la saturation de la puissance de sortie. La possibilité d'améliorer la linéarité des TOP par injection d'harmonique a été étudiée à l'aide de modèles analytiques et de simulations numériques, puis validée par des mesures sur des tubes industriels. <br /><br />Ce travail a ouvert des perspectives pour des applications industrielles qui amélioreront le rendement des TOP.

Cette thèse présente la technique de navigation magnéto-inertielle (MINAV) qui utilise les perturbations du champ magnétique en complément de capteurs inertiels (accéléromètres et gyromètres) pour la localisation d'un corps rigide en mouvement. On étudie des règles de conception, ainsi que des procédures opératoires nécessaires à la mise en pratique dans des conditions réelles. Un exemple de système complet, le "podomètre magnéto-inertiel", permettant la localisation d'un piéton évoluant dans des zones où le GPS est indisponible, est présenté.

L'estimation de l'attitude (ou orientation) est un problème récurrent de nombreuses applications allant de la robotique aérienne ou sous-marine en passant par des applications médicales (surveillance de patients, réhabilitation), mais aussi jeux vidéo, etc. L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'apport des approches ensemblistes dans le cadre de l'estimation de l'attitude à partir de données issues de triaxes accéléromètres (A), magnétomètres (M) et gyromètres (G). Dans un premier temps, on s'intéresse aux mouvements "quasi-statiques" et l'estimation de l'attitude est réalisée à partir de mesures AM. On aborde ensuite le cas des mouvements dynamiques, en considérant l'ensemble des mesures AGM. Le problème du choix de la paramétrisation de l'attitude a été abordé et on a comparé les résultats obtenus et le temps calcul pour des modélisations avec les angles de Cardan et le quaternion unitaire. Les algorithmes développés ont été validés en simulation et avec des données réelles. Les résultats ont été comparés avec ceux fournis par des algorithmes de l'état de l'art, par exemple SIVIA. La deuxième partie du manuscrit est consacrée à au diagnostic des capteurs de la centrale inertielle avec des approches ensemblistes. Les algorithmes développés dans la première partie du travail sont adaptés afin de pouvoir détecter et localiser un défaut dans l'ensemble des capteurs considérés.

Cette thèse est organisée en deux parties. Après une brève introduction théorique (chapitre 1) et une discussion présentant la soufflerie du LEGI et des techniques expérimentales utilisées (chapitre 2), une première partie étudie les effets individuels des particules dans les écoulements tantôt laminaires et turbulents. Dans une seconde partie je me suis intéressé aux effets collectifs d’une population dense d’inclusions en interaction avec un champ turbulent.Dans le chapitre 3, nous montrons que l’équilibre d’un disque pendulaire faisant face à un écoulement présentant une vitesse moyenne présente un comportement bi-stable et hystérétique. Nous donnons une interprétation simple de ce comportement en termes d’une description par deux puits de potentiel, nécessitant uniquement de connaître la dépendance angulaire du coefficient de trainée normale d’une plaque statique inclinée. Nous étudions l’influence de la turbulence sur l’équilibre du pendule en général et sur la bi-stabilité observée en particulier.La dynamique des objets tractés dans un environnement fluide est d’intérêt pour de nombreuses situations pratiques. Les chapitres 4,5 et 6 concernent l’étude expérimentale de l’équilibre et de la stabilité de la trajectoire d’une sphère tractée à vitesse constante. Dans le chapitre 4, nous avons vu que le sillage d'une sphère peut produire un mouvement hélicoïdal d'une sphère remorqué par un fil. Nous avons constaté qu'il existe un nombre de Reynolds (défini avec le diamètre de la particule et la vitesse moyenne de l’écoulement) particulier pour activer cette motion instable. Une trajectoire en trois dimensions est reconstruite avec un dispositif expérimental extrêmement simple, utilisé pour la caractérisation de la forme de la trajectoire des particules. Dans le chapitre 5, nous étudions expérimentalement l'équilibre et la stabilité de la trajectoire d'une sphère remorqué à une vitesse constante dans la avec un rapport longueur - diamètre sans précédent. En ce chapitre, nous étudions les instabilités développées dans le fil pour un écoulement laminaire. Diffèrent types d’instabilités ont été trouvés dans cette expérience. Dans le chapitre 6, le même système est étudié, mais l'écoulement environnant est turbulent. Nous nous concentrons sur la comparaison entre la dynamique turbulente de la sphère tractée et d’une sphère librement advectèe. Nos résultats sont en accord avec un scénario de filtrage résultant du temps de réponse visqueuse d'une particule d'inertie dont la dynamique est couplée au fluide environnant par la force de traînée. Une caractéristique frappante des écoulements turbulents chargés de particules inertielles est la concentration préférentielle qui conduit à de très fortes hétérogénéités du champ de concentration en particules à différentes échelles. Les diagrammes de Voronoi ont été utilisés pour caractériser quantifier ce phénomène.En ce qui concerne les effets collectifs, trois écoulements différents ont été étudiés : bulles d’air (particules moins denses que le fluide, avec une taille de l’ordre de l´échelle de Kolmogorov) dans un canal a eau (chapitre 7), des particules solides légèrement plus denses que le fluide et diamètre supérieur à l´échelle de Kolmogorov dans une écoulement de von Kármán (chapitre 8) et gouttelettes d’eau dans la soufflerie (chapitre 9) ; de particules beaucoup plus denses que le fluide et diamètre inférieur à l’échelle de Kolmogorov. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des champs de concentration des particules dans les expériences par analogie avec le fonctionnement des caméras linéaire, et en exploitant l’hypothèse de Taylor dans la soufflerie. Cette nouvelle approche nous permet de reconstruire des champs de particules de plusieurs mètres de long. Ces champs permettent d’analyser la formation des superclusters. Nous montrons en effet que les clusters tendent eux-mêmes à s’organiser en superclusters (amas d’amas). / This PhD thesis covers many features of fluid-particle interactions, ranging from a simple pendulum inmersed in a flow to the presence of superclusters of water droplets in a wind tunnel.The simplest case studied was a pendulum with a pendulum-blob facing the wind in the wind-tunnel. As the pendulum-blob was a plate, the aerodynamic coefficients as a function of the angle between the plate and the streamwise velocity present a non-trivial behavior, resulting in an hysteresis cycle. We also investigate the influence of turbulence on the equilibrium of the pendulum in general and on the observed bi-stability in particular.Then, different instabilities of towed systems has been studied. In chapter 4 we have seen that the wake of a sphere can produce helicoidal motion of a sphere towed by a wire. We found that there exists a particle Reynolds number Rep threshold for activating this unstable motion. A three-dimensional trajectory was reconstructed with an extremely simple experimental setup, used for characterizing the shape of particle's trajectory. In chapter 5 we investigate experimentally the equilibrium and the stability of the trajectory of a sphere towed at constant velocity in the wind tunnel at the tip of a cable with unprecedented large length-to-diameter aspect ratio. In thist chapter we study the instabilities developped in the wire for a laminar flow.Flutter and divergence instabilities has been found in this experiment.In chapter 6 the same system is studied, but the surrounding flow is turbulent. In this chapter we focus on a comparison with this towed system with freely advected particles in turbulence. Our results are consistent with a filtering scenario resulting from the viscous response time of an inertial particle whose dynamics is coupled to the surrounding fluid via the dragforce.Therefore, depending on several parameters such as the Reynolds number of the particle, the wire or the fluctuations level of the flow, a whole family of instabilities can appear, with no trivial dependencies and important consequences considering different applications of such systems.Concerning the collective effects, three different flows have been studied: a water tunnel, a von Karman flow and a wind tunnel. A broad range of Reynolds numbers, dissipation scales and particles diameters and densities has been covered. Using Voronoi diagrams, we have quantified preferential concentration as a function of the Stokes number and the Reynolds number. In chapter 7 and 8 simultaneous PIV measurements complemented the inertial particles acquisitions. The goal was to analyze if the particles tend to stick into special regions of the flow.In the last chapter also DNS have been performed for comparing with experimental results. A sweep-stick mechanism, in which inertial particles tend to have the same statistics as zero-acceleration points has been proved to be consistent with our results.Finally, a promising new technique has been presented. Based on the standard measurements, a spatial field has been reconstructed allowing us to acquire a several meters long image of particles. The enormous amount of structures present in the image has evidenced that the clusters are grouped at the same time in bigger clusters (i.e. clusters form clusters, that we call superclusters). This new result is still being studied and presents a new and fascinating field for studying particle-flow interactions.

Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes physiques qui contrôlent les trajectoires de particules anisotropes dans des écoulements confinés, afin d’en améliorer la prédiction. Nous avons dans un premier temps développé des outils expérimentaux basés sur la microscopie et le traitement d’images afin d’analyser les positions de particules en écoulement confiné dans des microcanaux de section carrée. Ces outils ont ensuite permis l’obtention de résultats originaux sur la migration latérale de particules sphériques dans des écoulements faiblement inertiels. Nous avons montré en particulier que les particules migrent au centre du canal à faible nombre de Reynolds et à proximité du centre de chaque face à Reynolds plus élevé et que ces deux régimes co-existent pour des Reynolds intermédiaires. Parallèlement à leur migration latérale, les particules en écoulement confiné peuvent s’espacer régulièrement sous certaines conditions pour former des trains. Ce travail a donc consisté à mener une étude statistique pour quantifier et localiser la formation des trains. Il a été montré que la formation des trains était contrôlée par la configuration de l’écoulement dans le sillage des particules et que leurs caractéristiques, i.e., le pourcentage de particules en trains et la distance interparticulaire, étaient fonction du nombre de Reynolds particulaire. Enfin, des résultats préliminaires sur le cas d’écoulements bi-disperses ont été obtenus. Pour terminer, les perspectives et développements futurs de ce travail sont dégagés. / This thesis aims to better understand the physical mechanism controlling the trajectories of particles in confined flows in order to improve predictive models. In the first step we have developed experimental tools based on microscopy and image analysis in order to identify the particles positions in confined flows in square section microchannels. These tools have then permitted to obtain original results on the lateral migration of spherical particles in flows at low inertia. In particular we have shown that neutrally buoyant particles in square channels are focused at channel center at low Reynolds number and at four channel faces at high Reynolds, and that there is a co-existence of the two regimes for intermediate Reynolds. In addition to their lateral migration, under certain conditions, particles can also align in the flow direction to form trains of evenly spaced particles. This work has thus been devoted to the statistical study on the quantification and localization of the train formation and configuration. It has been shown that the formation of trains is controlled by the flow configuration in the wake of the particles, and that the train characteristics, i.e., the fraction of particles in trains and the interparticle distance, are functions of the particle Reynolds number. Finally, preliminary results on flows of bidisperse suspensions have been obtained. To conclude, the perspectives and future developments of this work are presented.

Que ce soit dans le domaine de la recherche ou en clinique, l’évaluation des amplitudes de mouvement est une étape très importante qui nécessite l’utilisation de systèmes de mesure de bonnes qualités métrologiques. En clinique, le goniomètre universel reste l’instrument le plus utilisé pour évaluer l’amplitude articulaire de mouvement (AAM) de l’épaule malgré le fait qu’il ne dispose pas d’une bonne validité de critère et sa fidélité (intra et inter-évaluateurs) est modérée voire faible comme le montre certaines études. L’autre instrument très utilisé en clinique est l’inclinomètre qui donne de meilleurs résultats de fidélités intra et inter-évaluateurs que le goniomètre, mais n’est pas adapté pour évaluer certains mouvements de l’épaule. L’utilisation de méthodes empiriques comme l’estimation visuelle d’AAM ne repose sur aucune base scientifique pour donner des mesures d’angle fiables et précises. Les méthodes de mesure les plus précises ne se retrouvent malheureusement que dans les laboratoires de recherche. Il faut dire que le contexte clinique n’est pas adapté pour recevoir de tels dispositifs très onéreux, complexes d’utilisation et nécessitant beaucoup de temps de manipulation. Les recherches sur l’amélioration des systèmes de mesure déjà existants ou sur la création de nouvelles méthodes de mesure d’AAM sont plus que jamais d’actualité. Ce mémoire entre dans ce contexte de mise en œuvre de nouveaux systèmes de mesure de hautes précisions, simples d’utilisation et d’une grande accessibilité. La nouvelle méthode que nous avons présentée se base sur des photographies numériques de patrons de points. L’objectif premier de l’étude était de déterminer la validité de critère de la méthode photo par rapport à une mesure étalon. Les résultats ont démontré que cette nouvelle méthode photo possède une bonne validité de critère, comparable à celle obtenue avec une centrale inertielle et bien mieux que celle d’une application inclinomètre. À la lumière de ces résultats, la méthode photo pourrait très bien être un substitut aux centrales inertielles dans la mesure d’AAM, car ces dernières restent onéreuses et complexes d’utilisation. L’objectif de la deuxième phase de l’étude était de déterminer la fidélité de la mesure de la méthode de photographie numérique de patrons de points et de l’inclinomètre numérique en conditions cliniques auprès de patients atteints de tendinopathie de la coiffe des rotateurs. Suite à l’analyse des résultats, il apparaît que la méthode photo possède une bonne fidélité qui lui permet de bien évaluer les amplitudes de mouvement au niveau de l’épaule. L’inclinomètre quant à lui semble donner de bons résultats de fidélité que pour certains mouvements de l’épaule (abduction et flexion). Bien que la nouvelle méthode basée sur la photographie de patrons de points ait démontré une bonne validité de critère et une bonne fidélité, son devenir et sa place dans le domaine de l’évaluation de l’AAM repose sur l’accueil qui lui sera réservé par les cliniciens et les chercheurs.

L'estimation en robotique est un sujet important affecté par les compromis entre certains critères majeurs parmi lesquels nous pouvons citer le temps de calcul et la précision. L'importance de ces deux critères dépend de l'application. Si le temps de calcul n'est pas important pour les méthodes hors ligne, il devient critique lorsque l'application doit s'exécuter en temps réel. De même, les exigences de précision dépendent des applications. Les estimateurs EKF sont largement utilisés pour satisfaire les contraintes en temps réel tout en obtenant une estimation avec des précisions acceptables. Les centrales inertielles (Inertial Measurement Unit - IMU) demeurent des capteurs répandus dnas les problèmes d'estimation de trajectoire. Ces capteurs ont par ailleurs la particularité de fournir des données à une fréquence élevée. La principale contribution de cette thèses est une présentation claire de la méthode de préintégration donnant lieu à une meilleure utilisation des centrales inertielles. Nous appliquons cette méthode aux problèmes d'estimation dans les cas de la navigation piétonne et celle des robots humanoïdes. Nous souhaitons par ailleurs montrer que l'estimation en temps réel à l'aide d'une centrale inertielle à faible coût est possible avec des méthodes d'optimisation tout en formulant les problèmes à l'aide d'un modèle graphique bien que ces méthodes soient réputées pour leurs coûts élevés en terme de calculs. Nous étudions également la calibration des centrales inertielles, une étape qui demeure critique pour leurs utilisations. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont été pensés en gardant comme perspective à moyen terme le SLAM visuel-inertiel. De plus, ce travail aborde une autre question concernant les robots à jambes. Contrairement à leur architecture habituelle, pourrions-nous utiliser plusieurs centrales inertielles à faible coût sur le robot pour obtenir des informations précieuses sur le mouvement en cours d'exécution ? / Estimation in robotics is an important subject affected by trade-offs between some major critera from which we can cite the computation time and the accuracy. The importance of these two criteria are application-dependent. If the computation time is not important for off-line methods, it becomes critical when the application has to run on real-time. Similarly, accuracy requirements are dependant on the applications. EKF estimators are widely used to satisfy real-time constraints while achieving acceptable accuracies. One sensor widely used in trajectory estimation problems remains the inertial measurement units (IMUs) providing data at a high rate. The main contribution of this thesis is a clear presentation of the preintegration theory yielding in a better use IMUs. We apply this method for estimation problems in both pedestrian and humanoid robots navigation to show that real-time estimation using a low- cost IMU is possible with smoothing methods while formulating the problems with a factor graph. We also investigate the calibration of the IMUs as it is a critical part of those sensors. All the development made during this thesis was thought with a visual-inertial SLAM background as a mid-term perspective. Firthermore, this work tries to rise another question when it comes to legged robots. In opposition to their usual architecture, could we use multiple low- cost IMUs on the robot to get valuable information about the motion being executed?

Dans un contexte comme celui des technologies aérospatiales, qui se caractérise non seulement par sa complexité, mais aussi par sa difficulté à régler les erreurs une fois que le véhicule est dans son environnement final, l’utilisation des simulateurs de satellite sur Terre pour le développement et la vérification de nouveaux systèmes offre une alternative intéressante aux simulations traditionnelles par ordinateur. Plus précisément, dans le cas de la commande d’attitude, la possibilité d’utiliser la dynamique réelle du satellite pendant les phases de conception et de développement présente des avantages tels que l’inclusion des systèmes difficiles à modéliser et la réduction du risque d’erreur et du temps de vérification. Cependant, cette technologie est encore récente et est de ce fait sujette à être améliorée afin d’offrir le meilleur scénario possible pour le développement des algorithmes de commande d’attitude de la prochaine génération de satellites. À cet effet, l’Université de Sherbrooke et la société NGC Aérospatiale Ltée. développent en partenariat le simulateur matériel de satellite LABSAT qui possède toutes les fonctionnalités d’un véhicule spatial incluant les actionneurs, capteurs, calculateurs embarqués et éléments flexibles. Le projet présenté dans ce document consiste à concevoir et mettre en œuvre sur le minisatellite LABSAT un premier système de navigation et commande permettant d’exécuter les manœuvres en orientation à partir d’une station de contrôle. À cette fin, les différents sous-systèmes du simulateur matériel ont été intégrés et des solutions en termes de calibration de capteurs, d’estimateur d’état et de systèmes de commande ont été analysées théoriquement et en simulation. Les techniques les plus appropriées ont été, par la suite, implémentées et évaluées sur le système final, dans le but de vérifier leur fonctionnement dans l’environnement réel.

Nous présentons le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Nous démontrons une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétro-réflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Nous avons donc développé une tête de senseur très compacte, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1560 nm pour interroger des atomes de Rubidium 87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, nous avons développé un système de réjection du bruit de vibration, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, nous avons démontré une sensibilité à l’accélération de l’ordre de à 1 seconde, qui atteint après 300 secondes d’intégration. Notre dispositif nous a finalement conduit à l’hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC , 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle. / We present the development of a compact atomic gravimeter, relying on atom interferometry using stimulated Raman transitions. We demonstrate a significant improvement in terms of compactness and simplicity for each element of the device (sensor head, laser source, micro-wave frequency reference, vibration rejection system). This work relies on the use of a hollow-pyramid in place of the usual retro-reflecting mirror. This component allows realizing each step of measurement (trapping and cooling of the atoms, interferometer, detection) with a single laser beam. We developed a very compact sensor head, for which we have simplified every key element. The laser source features only one single laser diode, emitting at 1560 nm to interrogate Rubidium 87 atoms. It benefits from the use of fibered optical telecom components, which have already demonstrated to be performing and robust to environmental conditions. All the elements of the accelerometer prototype are now gathered to allow for the operation of the interferometer. On-field gravimetry will greatly benefit from such compact absolute gravimeter. In parallel, we have developed a novel vibration rejection method, based on digital electronics. The atomic phase shift induced by vibrations is pre-compensated before the recombination of the wave-packets, directly on the optical phase on the Raman lasers. This ensures that each measurement point stays at maximum sensitivity, even in the presence of great acceleration noise. As a result, for a gravimeter operating directly on the ground in an urban environment, we have reached sensitivity to acceleration at a level of at 1 s, which improves down to after 300 s. Finally, our method lead us to fully hybridize the atom gravimeter with a classical accelerometer, which results in an accurate very large-band accelerometer [DC , 430 Hz]. This demonstration is very promising for applications in inertial navigation.