Autant le GPS tend à s'imposer pour la localisation à l'extérieur des bâtiments, autant la situation est beaucoup plus ouverte pour la localisation à l'intérieur des bâtiments. De nombreux réseaux WiFi sont déployés dans les bâtiments. Ils diffusent des informations de puissance du signal permettant de remonter à la position d'un mobile. La technique du fingerprinting par puissance WiFi permet de localiser le mobile. Cependant, l'utilisation de cette technique de localisation requière une base de données correspondant à la couverture radio WiFi dans l'environnement.<br />L'utilisation d'une technique de localisation basée sur des mesures temporelles est moins contraignante que le fingerprinting. L'émission d'impulsions radio très brèves confère à la technologie 802.15.4a un fort pouvoir séparateur des multi-trajets. Le phénomène de multi-trajets est la principale contrainte au déploiement d'une technologie de localisation par mesures temporelles. La détection du premier trajet est très importante.<br />Des estimateurs comme le filtre de Kalman ou le filtre particulaire sont nécessaires pour limiter les effets des multi-trajets, des bruits de mesure, etc. Ces filtres peuvent aussi intégrer des informations de cartographie. Bien souvent, l'exploitation d'une seule technologie est insuffisante. La fusion d'informations de localisation est une étape supplémentaire pour améliorer la localisation. Des architectures de fusion robustes permettent de corriger les défauts de chacune des technologies pour conduire à un système plus robuste et plus précis en toutes circonstances.<br />Ce travail présente une approche innovante pour la localisation WiFi avec l'exploitation de cartographie dans l'estimateur tout en gardant une faible complexité suivant la plate-forme de déploiement visée. L'exploration des capacités de la localisation par ULB est proposée dans un second temps, avant d'aborder une réflexion sur les méthodes de fusion multi-capteurs.

La stabilisation inertielle de ligne de visée est essentiellement un problème de rejet de perturbations : il faut rendre la ligne de visée de la caméra embarquée dans le viseur insensible aux mouvements du porteur. Les méthodes de commande robuste du type H-infini sont bien adaptées à la résolution de ce type de problème, et plus particulièrement l'approche Loop-Shaping qui repose sur des concepts de réglage de l'automatique fréquentielle classique. Cependant, les correcteurs obtenus via cette approche sont généralement d'ordre élevé et donc difficilement implémentables sur le calculateur embarqué du viseur.Dans cette thèse, nous avons proposé des méthodologies de synthèse de correcteurs robustes d'ordre réduit et/ou de structure fixée. Pour cela, nos travaux ont été axés sur :- L'optimisation pour la synthèse H-infini à ordre et/ou structure fixée. Tout d'abord nous avons exploré les possibilités offertes par l'optimisation sous contraintes LMI (Linear Matrix Inequalities). Celles-ci se sont avérées limitées, bien que de nombreux algorithmes aient été proposés dans ce cadre depuis le début des années 90. Ensuite, nous avons opté pour l'optimisation non lisse. En effet des outils numériques récemment développés rendent accessible cette approche, et leur efficacité s'est avéré indéniable.- L'adaptation au cadre particulier du critère H-infini Loop-Shaping.La structure particulière de ce critère de synthèse a été exploitée afin de mieux prendre en compte les pondérations, et d'améliorer la réduction d'ordre du correcteur final. Enfin, une approche basée uniquement sur le réglage graphique d'un gabarit de gain fréquentiel en boucle ouverte est proposée. Ces différentes méthodologies sont illustrées, tout au long de la thèse, sur un viseur dont le modèle a été identifié à partir de mesures expérimentales.

Les systèmes multi-capteurs exploitent les complémentarités des différentes sources sensorielles. Par example, le capteur visuo-inertiel permet d'estimer la pose à haute fréquence et avec une grande précision. Les méthodes de vision mesurent la pose à basse fréquence mais limitent la dérive causée par l'intégration des données inertielles. Les centrales inertielles mesurent des incréments du déplacement à haute fréquence, ce que permet d'initialiser la vision et de compenser la perte momentanée de celle-ci. Cette thèse analyse deux aspects du problème. Premièrement, nous étudions les méthodes visuelles directes pour l'estimation de pose, et proposons une nouvelle technique basée sur la corrélation entre des images et la pondération des régions et des pixels, avec une optimisation inspirée de la méthode de Newton. Notre technique estime la pose même en présence des changements d'illumination extrêmes. Deuxièmement, nous étudions la fusion des données a partir de la théorie de la commande. Nos résultats principaux concernent le développement d'observateurs pour l'estimation de pose, biais IMU et l'autocalibrage. Nous analysons la dynamique de rotation d'un point de vue nonlinéaire, et fournissons des observateurs stables dans le groupe des matrices de rotation. Par ailleurs, nous analysons la dynamique de translation en tant que système linéaire variant dans le temps, et proposons des conditions d'observabilité uniforme. Les analyses d'observabilité nous permettent de démontrer la stabilité uniforme des observateurs proposés. La méthode visuelle et les observateurs sont testés et comparés aux méthodes classiques avec des simulations et de vraies données visuo-inertielles.

La présence simultanée de plusieurs plasmas le long de la trajectoire d'un faisceau laser énergétique est susceptible de modifier de manière importante le comportement des instabilités paramétriques par rapport au cas où un seul plasma est présent. Afin d'identifier les différents effets pouvant intervenir dans ce type de situation, un système de cible double dont l'écartement est ajustable a été développé, la première cible étant une mousse de faible densité et la seconde une feuille de plastique. Une partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation de l'interaction dans les mousses seules, cette dernière étant encore peu connue à l'heure actuelle pour de si faibles densités. Dans le cas d'interaction en présence de deux plasmas, nous analysons successivement trois effets : celui du mélange hydrodynamique des deux plasmas, celui de l'incohérence induite par plasma et enfin celui du couplage électromagnétique entre les deux plasmas. Pour la première fois, il a été mis en évidence que l'incohérence induite par plasma sur un faisceau conduisait à la réduction de la rétrodiffusion Brillouin dans un plasma séparé. En revanche, cette incohérence ne parvient plus à compenser les effets hydrodynamiques se produisant par collision des plasmas lorsque ceux-ci sont suffisamment proches. Le couplage électromagnétique entre les plasmas affecte plus particulièrement la rétrodiffusion Raman, lorsque la rétrodiffusion du plasma de feuille traverse le plasma de mousse. Outre une réamplification du signal rétrodiffusé qui est un phénomène recherché dans l'amplification d'impulsions laser en milieu plasma, nous avons observé le développement de l'instabilité Raman dans une zone de plasma dominée par l'amortissement Landau ce qui est la signature d'effets cinétiques importants.

La détermination du ralentissement des ions (ou pouvoir d'arrêt) dans la matière tiède et dense est un enjeu fondamental notamment dans le cadre de la fusion par confinement inertiel. Au cours de mon travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la modification de l'état de charge d'un faisceau d'ions après sa traversée dans la matière tiède et dense, cette quantité jouant un rôle important dans le calcul du pouvoir d'arrêt. Nous avons tiré partie des propriétés bien connues des faisceaux d'ions générés par laser intense à impulsion courte pour étudier au cours de deux expériences réalisée sur les installations ELFIE et TITAN l'évolution de l'état de charge d'un faisceau d'ions carbones et hélium après traversée d'une cible d'aluminium chauffée de manière isochore par un faisceau de protons énergétique. Les deux premiers chapitres présentent les enjeux du sujet à la fois d'un point de vu théorique et expérimental - y sont présentés les différents outils de simulations utilisés au cours de l'étude. Le troisième chapitre est consacré à l'étude des propriétés des faisceaux d'ions générés par lasers dans l'optique de nos expériences pour étudier le pouvoir d'arrêt. Nous avons notamment étudiés au cours de deux expériences les faisceaux d'ions produits en utilisant des cibles à densité inférieur à celle du solide. Dans le dernier chapitre sont présentées les montages et résultats des deux expériences sur l'état de charge d'un faisceau d'ions après sa traversée dans la matière tiède et dense. Les données dans la matière froide obtenues au cours de nos expériences sont confrontées avec succès aux résultats antérieurs recueillis sur des accélérateurs conventionnels.

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. / Attitude estimation is one of the prominent problem encountered in various application areas such as Aerial and submarine robotics, bio-medical applications (elderly people monitoring, rehabilitation) but also, video game and augmented reality. The main objective of this PhD is to assess the capabilities of set-membership estimation in the field of attitude estimation when triaxes accelerometer (A) magnetometer (M) and rate gyros (G) are used. Quasi-static movements are first considered. In this case AM measurements are taken into account. Then the dynamic case is considered with AGM measurement taken into account in the set-membership estimation algorithm. The problem of attitude parametrisation is also studied as it will have a strong in uence on the computational time. The algorithms proposed during this work have been validated with simulated and real data. The second part of the report deals with Fault Detection and Isolation based upon set-membership approaches. The algorithms that have been developed in the first part of this work have been adapted to cope with diagnosis of a faulty sensor within the Inertial Measurement Unit.

Les centrales inertielles (triade de capteurs inertiels dont la fusion des données permet l’estimation de l’orientation d’un corps rigide) sont de plus en plus populaires en biomécanique. Toutefois, les qualités métrologiques des centrales inertielles (CI) sont peu documentées et leur capacité à identifier des incapacités liées à la mobilité, sous-évaluée. Objectifs : (i) Caractériser la validité de la mesure d’orientation issue de CI ; (ii) Optimiser la justesse et la fidélité de ces mesures; et (iii) Proposer des métriques de mobilité basées sur les mesures d’orientation issues de CI. Méthodologie et résultats : La validité de la mesure d’orientation de différents types de CI a d’abord été évaluée en conditions contrôlées, à l’aide d’une table motorisée et d’une mesure étalon. Il a ainsi été démontré que les mesures d’orientation issues de CI ont une justesse acceptable lors de mouvements lents (justesse moyenne ≤ 3.1º), mais que cette justesse se dégrade avec l’augmentation de la vitesse de rotation. Afin d’évaluer l’impact de ces constatations en contexte clinique d’évaluation de la mobilité, 20 participants ont porté un vêtement incorporant 17 CI lors de la réalisation de diverses tâches de mobilité (transferts assis-debout, marche, retournements). La comparaison des mesures des CI avec celles d’un système étalon a permis de dresser un portrait descriptif des variations de justesse selon la tâche exécutée et le segment/l’articulation mesuré. À partir de ces constats, l’optimisation de la mesure d’orientation issue de CI est abordée d’un point de vue utilisateur, démontrant le potentiel d’un réseau de neurones artificiel comme outil de rétroaction autonome de la qualité de la mesure d’orientation (sensibilité et spécificité ≥ 83%). Afin d’améliorer la robustesse des mesures de cinématique articulaire aux variations environnementales, l’ajout d’une photo et d’un algorithme d’estimation de pose tridimensionnelle est proposé. Lors d’essais de marche (n=60), la justesse moyenne de l’orientation à la cheville a ainsi été améliorée de 6.7° à 2.8º. Finalement, la caractérisation de la signature de la cinématique tête-tronc pendant une tâche de retournement (variables : angle maximal tête-tronc, amplitude des commandes neuromusculaires) a démontré un bon pouvoir discriminant auprès de participants âgés sains (n=15) et de patients atteints de Parkinson (PD, n=15). Ces métriques ont également démontré une bonne sensibilité au changement, permettant l’identification des différents états de médication des participants PD. Conclusion : Les mesures d’orientation issues de CI ont leur place pour l’évaluation de la mobilité. Toutefois, la portée clinique réelle de ce type de système ne sera atteinte que lorsqu’il sera intégré et validé à même un outil de mesure clinique. / Abstract : Inertial measurement of motion is emerging as an alternative to 3D motion capture systems in biomechanics. Inertial measurement units (IMUs) are composed of accelerometers, gyroscopes and magnetometers which data are fed into a fusion algorithm to determine the orientation of a rigid body in a global reference frame. Although IMUs offer advantages over traditional methods of motion capture, the value of their orientation measurement for biomechanics is not well documented. Objectives: (i) To characterize the validity of the orientation measurement issued from IMUs; (ii) To optimize the validity and the reliability of these measurements; and (iii) To propose mobility metrics based on the orientation measurement obtained from IMUs. Methods and results: The criterion of validity of multiple types of IMUs was characterized using a controlled bench test and a gold standard. Accuracy of orientation measurement was shown to be acceptable under slow conditions of motion (mean accuracy ≤ 3.1º), but it was also demonstrated that an increase in velocity worsens accuracy. The impact of those findings on clinical mobility evaluation was then assessed in the lab, with 20 participants wearing an inertial suit while performing typical mobility tasks (standing-up, walking, turning). Comparison of the assessed IMUs orientation measurements with those from an optical gold standard allowed to capture a portrait of the variation in accuracy across tasks, segments and joints. The optimization process was then approached from a user perspective, first demonstrating the capability of an artificial neural network to autonomously assess the quality of orientation data sequences (sensitivity and specificity ≥ 83%). The issue of joint orientation accuracy in magnetically perturbed environment was also specifically addressed, demonstrating the ability of a 2D photograph coupled with a 3D pose estimation algorithm to improve mean ankle orientation accuracy from 6.7° to 2.8º when walking (n=60 trials). Finally, characterization of the turn cranio-caudal kinematics signature (variables: maximum head to trunk angle and neuromuscular commands amplitude) has demonstrated a good ability to discriminate between healthy older adults (n=15) and early stages of Parkinson’s disease patients (PD, n=15). Metrics have also shown a good sensitivity to change, enabling to detect changes in PD medication states. Conclusion: IMUs offer a complementary solution for mobility assessment in clinical biomechanics. However, the full potential of this technology will only be reached when IMUs will be integrated and validated within a clinical tool.

Il a été montré que la cavitation acoustique pouvait se révéler utile dans l'administration de médicaments pour de nombreuses applications biologiques et médicales. Cette thèse commence par une présentation de la cavitation ultrasonore et des mécanismes d'action mis en jeu pour la délivrance de médicaments. A la fin de ce cette synthèse, un dispositif à deux transducteurs ultrasonores disposés de manière confocale est présenté pour résoudre certains des problèmes actuels dans le domaine. Il est ensuite mis en oeuvre dans différentes études de faisabilité. La thèse est organisée en 5 chapitres : 1. L'utilisation de la cavitation acoustique dans un contexte biomédical est présentée ici dans une revue générale. Ce chapitre comprend l'état de l'art pour la génération de cavitation, les techniques expérimentales qui sont actuellement mises en oeuvre pour la mesure de la cavitation, et les approches cliniques et précliniques pour l'utilisation de la cavitation in vivo pour différents types de tissu biologique. 2. Le dispositif ultrasonore utilisé pour toutes les études de cette thèse est ensuite décrit. Il est caractérisé acoustiquement et comparé avec un simple transducteur dans le but de démontrer son efficacité pour la génération de la cavitation. Cette comparaison est d'abord faite par une quantification chimique du niveau de cavitation. A puissance constante, le dispositif à deux transducteurs confocaux est bien plus efficace pour générer de la cavitation. Les causes de cette observation, notamment la réduction de la propagation non-linéaire et la stabilisation du nuage des bulles par les forces Bjerknes, sont ensuite étudiées par des mesures acoustiques, des simulations de pression en régime linéaire et un suivi par une caméra ultra rapide des nuages de bulles induits. 3. Le prototype confocal est utilisé in vivo sur des tumeurs sous cutanées en conjonction avec des liposomes. Dans un premier temps, des essais sous IRM démontrent la possibilité de larguer le contenu des liposomes localement par la cavitation inertielle délivrée par le dispositif. Une seconde étude avec une formulation liposomale de doxorubicine a permis de démontrer l'amélioration de la réponse thérapeutique de la chimiothérapie après application de la cavitation inertielle.. 4. Une étude de faisabilité de l'interférence de l'ARN (RNAi) sur un petit nombre d'animaux est réalisée avec le dispositif confocal et des molécules de siRNA encapsulées dans des liposomes Les expériences sont conduites in vivo avec une xénogreffe de tumeur de sein humain. Après une phase de réglage des paramètres ultrasonores pour limiter la toxicité du traitement, on observe une inhibition significative du gène ciblé. 5. Une deuxième étude de faisabilité est réalisée pour étudier la potentialisation de la chimiothérapie avec l'évérolimus dans un modèle de chondrosarcome de rat. Les traitements ultrasonores et les chimiothérapies sont répétés. Sur un petit nombre d'animaux, on montre l'innocuité du traitement ultrasonore, et l'efficacité en conjonction avec l'agent anti tumoraux, évérolimus / Acoustic cavitation has been shown to be a useful tool in drug delivery for many different biological tissues and indications, and this thesis aims to contribute to the knowledge of cavitation from a drug delivery perspective. This thesis seeks to synthesize the current knowledge and practice concerning acoustic cavitation in a biomedical context, and to present a high intensity confocal ultrasound (US) prototype to address some of the current problems in the field and to give a proof of concept for the therapeutic efficacy of such a prototype. The thesis is organized in 5 chapters: 1. The use of acoustic cavitation in a biomedical context is presented here in a general review. This review comprises the state of the art for cavitation generation, experimental techniques currently being implemented for the measurement of cavitation, and the clinical and preclinical approaches to the use of cavitation in vivo on a tissue by tissue basis. 2. The high intensity confocal US prototype used for all studies in this thesis is presented here. It is characterized in terms of the advantages it gives for the generation of cavitation. Enhancement of cavitation is first demonstrated chemometrically with a fluorescent dosimeter compared to a single transducer at the ultrasonic focus. The mechanisms for cavitation enhancement are then investigated with acoustic measurements, linear pressure simulations, and high speed camera data. 3. The confocal US prototype in used in conjunction with a liposomal formulation of doxorubicin is performed in which a therapeutic enhancement of tumor inhibition is presented. The mechanism of this enhancement is investigated with liposomally encapsulated lanthanide contrast agents and magnetic resonance imaging. 4. A small scale proof of concept for the use of RNA interference using the confocal prototype, and liposomally encapsulated siRNA molecules. The experiments are performed In vivo with a xenograft of human breast tumor. This study also includes data for the safety of the US exposure on a mouse treated one time. 5. Another small scale proof of concept of the use of the confocal device on potentiating chemotherapy with the drug everolimus in a rat chondrosarcoma model. The studies presented here also investigate the use of multiple US exposures on the same tumor in a combined drug / US treatment regimen

Les systèmes multi-capteurs exploitent les complémentarités des différentes sources sensorielles. Par exemple, le capteur visuo-inertiel permet d’estimer la pose à haute fréquence et avec une grande précision. Les méthodes de vision mesurent la pose à basse fréquence mais limitent la dérive causée par l’intégration des données inertielles. Les centrales inertielles mesurent des incréments du déplacement à haute fréquence, ce que permet d’initialiser la vision et de compenser la perte momentanée de celle-ci. Cette thèse analyse deux aspects du problème. Premièrement, nous étudions les méthodes visuelles directes pour l’estimation de pose, et proposons une nouvelle technique basée sur la corrélation entre des images et la pondération des régions et des pixels, avec une optimisation inspirée de la méthode de Newton. Notre technique estime la pose même en présence des changements d’illumination extrêmes. Deuxièmement, nous étudions la fusion des données a partir de la théorie de la commande. Nos résultats principaux concernent le développement d’observateurs pour l’estimation de pose, biais IMU et l’autocalibrage. Nous analysons la dynamique de rotation d’un point de vue non linéaire, et fournissons des observateurs stables dans le groupe des matrices de rotation. Par ailleurs, nous analysons la dynamique de translation en tant que système linéaire variant dans le temps, et proposons des conditions d’observabilité uniforme. Les analyses d’observabilité nous permettent de démontrer la stabilité uniforme des observateurs proposés. La méthode visuelle et les observateurs sont testés et comparés aux méthodes classiques avec des simulations et de vraies données visuo-inertielles. / Systems with multiple sensors can provide information unavailable from a single source, and complementary sensory characteristics can improve accuracy and robustness to many vulnerabilities as well. Explicit pose measurements are often performed either with high frequency or precision, however visuo-inertial sensors present both features. Vision algorithms accurately measure pose at low frequencies, but limit the drift due to integration of inertial data. Inertial measurement units yield incremental displacements at high frequencies that initialize vision algorithms and compensate for momentary loss of sight. This thesis analyzes two aspects of that problem. First, we survey direct visual tracking methods for pose estimation, and propose a new technique based on the normalized crosscorrelation, region and pixel-wise weighting together with a Newton-like optimization. This method can accurately estimate pose under severe illumination changes. Secondly, we investigate the data fusion problem from a control point of view. Main results consist in novel observers for concurrent estimation of pose, IMU bias and self-calibration. We analyze the rotational dynamics using tools from nonlinear control, and provide stable observers on the group of rotation matrices. Additionally, we analyze the translational dynamics using tools from linear time-varying systems, and propose sufficient conditions for uniform observability. The observability analyses allow us to prove uniform stability of the observers proposed. The proposed visual method and nonlinear observers are tested and compared to classical methods using several simulations and experiments with real visuo-inertial data.

La résolution d'un problème d'estimation de l'état d'un système nécessite de disposer d'un modèle régissant l'évolution des variables d'état et de mesurer de manière directe ou indirecte l'ensemble ou une partie de ces variables d'état. Les travaux exposés dans ce mémoire de thèse portent sur la problématique d'estimation en présence de méconnaissances de modèle et de pertes de capteurs. La première partie de ce travail constitue la synthèse d'un dispositif d'estimation d'état pour systèmes non linéaires. Cela consiste à sélectionner un estimateur d'état et convenablement le régler, puis à concevoir algorithmiquement, à partir d'un critère introduit pour la circonstance, une redondance matérielle visant à compenser la perte de certains capteurs. La seconde partie de ce travail porte sur la conception, à l'aide de la variance d'Allan, d'un sous-modèle permettant de compenser les incertitudes d'un modèle d'état, ce sous-modèle étant utilisable par un filtre de Kalman. Ce travail a été exploité pour tenir compte de dérives gyroscopiques dans le cadre d'une navigation inertielle hybridée avec des mesures GPS par un filtre de Kalman contraint. Les résultats obtenus, issus d'expériences sur deux trajectoires d'avion, ont montré un comportement sain et robuste de l'approche proposée / To solve the problem of estimating the state of a system, it is necessary to have at one's disposal a model governing the dynamic of the state variables and to measure directly or indirectly all or a part of these variables. The work presented in this thesis deals with the estimation issue in the presence of model uncertainties and sensor losses. The first part of this work represents the synthesis of a state estimation device for nonlinear systems. It consists in selecting a state estimator and properly tuning it. Then, thanks to a criterion introduced for the occasion, it consists in algorithmically designing a hardware redundancy aiming at compensating for some sensor losses. The second part of this work deals with the conception of a sub-model compensating for some model uncertainties. This sub-model, designed by using the Allan variance, is usable by a Kalman filter. This work has been used to take into account some gyroscopical drifts in a GPS-INS integrated navigation based on a constrained Kalman filter. The results obtained, coming from experiments on two plane trajectories, showed a safe and robust behaviour of the proposed method