La robotique aérienne est un domaine de recherche qui a connu un grand succès commercial au cours des dernières années suite au développement de plates-formes aéroportées de petite taille hautement efficaces et abordables, couramment appelées mini-drones. Cela a ouvert la voie à de nouvelles applications dans les tâches de surveillance et d'inspection. Ces dernières années, cela a été un sujet de recherche clé dans l'industrie de l'énergie, où les lignes de transmission sont sujettes à la détérioration due aux conditions atmosphériques et nécessitent des programmes de surveillance étendus. Les mini-drones ont le potentiel d'automatiser entièrement le processus d'inspection, réduisant ainsi davantage les coûts et les temps d'inspection. Dans ce contexte, cette thèse aborde les inspections autonomes de tours électriques avec des MAV. A savoir, la localisation, la première étape d'une longue série de tâches vers la réalisation de capacités totalement autonomes, est le sujet principal de ce travail. Nous explorons comment les scanners laser 2D peuvent être couplés avec des capteurs couramment disponibles pour la pose à 6 degrés de liberté d'un mini-drone en temps réel avec les capacités perceptives et de traitement limites au bord de la plate-forme. Cette thèse tel que les algorithmes classiques de scan matching, comme l'algorithme Iterative Closest Point (ICP), la fusion de données et le contrôle par retour d'état. Des validations basées sur des vols expérimentaux et des simulations étendues sont présentées. / Aerial robotics is a prominent field of research that has seen great commercial success during the last years due to the development of highly efficient and affordable small-sized airborne platforms, commonly referred to as mini-drones. This has opened the way to promising new applications in surveillance and inspection tasks. In recent years, this has been a key subject of research in the power industry, where power utilities are subject to deterioration due to atmospheric conditions and require extensive monitoring programs. Mini-drones have the potential of fully automating the inspection process, further reducing costs and inspection times. In this context, this thesis addresses autonomous electric tower inspections with mini-drones. Namely, self-localization, the first step in a long series of tasks towards achieving fully autonomous capabilities, is the main focus of this work. We explore how 2D laser scanners can be coupled with commonly available sensors to estimate a mini-drone's 6 degree of freedom pose in real-time, using uniquely on-board sensing and processing capabilities. This thesis develops topics from classic scan matching algorithms, such as the iterative closest point (ICP) algorithm and proposed adaptations to the electric tower scene, to sensor fusion and feed-back control. Validations based on experimental flights and extensive simulations are presented.

Les activités humaines dans la subsurface se développent rapidement (stockage de déchets,nouvelles techniques minières, stockage à haute fréquence de l’énergie), alors que dans le même temps les attentes du public et des autorités s’intensifient. L’évaluation de chaque étape de ces opérations souterraines repose sur des études détaillées de la sûreté et des impacts environnementaux.Elles reposent sur des simulateurs élaborés et sur de la modélisation multiphysique. Avec leur approche orientée processus, les simulations en transport réactifs proposent une méthode efficace pour comprendre et prévoir le comportement de ces systèmes complexes, à différentes échelles de temps et d’espace.Le but de ce travail est d’intégrer la résolution de l’écoulement diphasique compressible dans le cadre de codes de transport réactifs à l’aide d’une méthode de séparation d’opérateurs. Un module multiphasique a été créé dans le code de transport réactif HYTEC. Une nouvelle approche a ensuite été développée pour coupler écoulement multicomposant multiphasique compressible, description de propriétés thermo-dynamiques complexes pour les fluides, avec des codes de transport réactif. La méthode a été intégrée dans HYTEC. Des cas de validation sont proposés, puis des exemples d’application pour la simulation du stockage souterrain de CO2 et des impuretés associées. / Human activity in the subsurface has rapidly been expanding and diversifying (waste disposal, new mining technologies, high-frequency storage of energy), while the public and regulatory expectations keep growing. The assessment of each step of underground operations requires careful safety and environmental impact evaluations. They rely on elaborate simulators and multiphysics modeling. With its process-based approach, reactive transport simulation provides an effective way to understand and predict the behavior of such complex systems at different time and spatial scale.This work aims at incorporating a compressible multiphase flow into conventional reactive transport framework by an operator splitting approach. A multiphase flow module is developed in the HYTEC reactive transport software. A new approach is then developed to fully couple multiphase multicomponent compressible flow, the complex thermodynamic description of the fluid properties, with existing reactive transport codes. The method is implemented in HYTEC. Some validation is provided, before application to the simulation of underground storage of CO2 and associated impurities.

Ce travail est dédié à la conception, l’analyse et l’évaluation des performances de nouveaux schémas de codage appropriés aux systèmes de stockage distribué. La première partie de ce travail est consacrée à l’étude des performances des codes spatialement couplés pour les canaux à effacements. Une nouvelle méthode de couplage spatial des ensembles classiques de contrôle de parité à faible densité (LDPC) est proposée. La méthode est inspirée du codage en couches. Les arêtes des ensembles locaux et celles définissant le couplage spatial sont construites séparément. Nous proposons également de saturer le seuil d’un ensemble Root-LDPC par couplage spatial de ses bits de parité dans le but de faire face aux évanouissements quasi-statiques. Le couplage spatial est dans un deuxième temps appliqué à un ensemble Root-LDPC, ayant une double diversité, conçu pour un canal à effacements par blocs à 4 états. Dans la deuxième partie de ce travail, nous considérons les codes produits non-binaires avec des composantes MDS et leur décodage algébrique itératif ligne-colonne sur un canal à effacements. Les effacements indépendants et par blocs sont considérés. Une représentation graphique compacte du code est introduite avec laquelle nous définissions la notion de coloriage à double diversité. Les ensembles d’arrêt sont définis et une caractérisation complète est donnée. La performance des codes produits à composantes MDS, avec et sans coloration, à double diversité est analysée en présence d’effacements indépendants et par blocs. Les résultats numériques montrent aussi une excellente performance en présence d’effacements à probabilité inégale due au coloriage ayant une double diversité. / This work is dedicated to the design, analysis, and the performance evaluation of new coding schemes suitable for distributed storage systems. The first part is devoted to spatially coupled codes for erasure channels. A new method of spatial coupling for low-density parity-check ensembles is proposed. The method is inspired from overlapped layered coding. Edges of local ensembles and those defining the spatial coupling are separately built. We also propose to saturate the whole Root-LDPC boundary via spatial coupling of its parity bits to cope with quasi-static fading. Then, spatial coupling is applied on a Root-LDPC ensemble with double diversity designed for a channel with 4 block-erasure states. In the second part of this work, we consider non-binary product codes with MDS components and their iterative row-column algebraic decoding on the erasure channel. Both independent and block erasures are considered. A compact graph representation is introduced on which we define double-diversity edge colorings via the rootcheck concept. Stopping sets are defined and a full characterization is given in the context of MDS components. A differential evolution edge coloring algorithm that produces colorings with a large population of minimal rootcheck order symbols is presented. The performance of MDS-based product codes with and without double-diversity coloring is analyzed in presence of both block and independent erasures. Furthermore, numerical results show excellent performance in presence of unequal erasure probability due to double-diversity colorings.

La méthode d'intégration produit a été proposée pour résoudre des équations linéaires de Fredholm de deuxième espèce singulières dont la solution exacte est régulière, au moins continue. Dans ce travail on adapte cette méthode à des équations dont la solution est juste intégrable. On étudie également son extension au cas non linéaire posé dans l'espace des fonctions intégrables. Ensuite, on propose une autre manière de mettre en oeuvre la méthode d'intégration produit : on commence par linéariser l'équation par une méthode de type Newton puis on discrétise les itérations de Newton par la méthode d'intégration produit / The product integration method has been proposed for solving singular linear Fredholm equations of the second kind whose exact solution is smooth, at least continuous. In this work, we adapt this method to the case where the solution is only integrable. We also study the nonlinear case in the space of integrable functions. Then, we propose a new version of the method in the nonlinear framework : we first linearize the eqaution by a Newton type method and then discretize the Newton iterations by the product integration method

L'objectif de cette thèse est d'étudier le problème de la détection de données dans le système de communication sans fil, à la fois pour le cas de l'information d'état de canal parfaite et imparfaite au niveau du récepteur. Comme on le sait, la complexité de MLSE est exponentielle en la mémoire de canal et la cardinalité de l'alphabet symbole est rapidement ingérable, ce qui force à recourir à des approches sousoptimales. Par conséquent, en premier lieu, nous proposons une nouvelle égalisation itérative lorsque le canal est inconnu à l'émetteur et parfaitement connu au niveau du récepteur. Ce récepteur est basé sur une approche de continuation, et exploite l'idée d'approcher une fonction originale de coût d'optimisation par une suite de fonctions plus dociles et donc de réduire la complexité de calcul au récepteur.En second lieu, en vue de la détection de données sous un canal dynamique linéaire, lorsque le canal est inconnu au niveau du récepteur, le récepteur doit être en mesure d'effectuer conjointement l'égalisation et l'estimation de canal. De cette manière, on formule une représentation de modèle état-espace combiné du système de communication. Par cette représentation, nous pouvons utiliser le filltre de Kalman comme le meilleur estimateur des paramètres du canal. Le but de cette section est de motiver de façon rigoureuse la mise en place du filltre de Kalman dans l'estimation des sequences de Markov par des canaux dynamiques Gaussien. Par la présente, nous interprétons et explicitons les approximations sous-jacentes dans les approaches heuristiques.Enfin, si nous considérons une approche plus générale pour le canal dynamique non linéaire, nous ne pouvons pas utiliser le filtre de Kalman comme le meilleur estimateur. Ici, nous utilisons des modèles commutation d’espace-état (SSSM) comme modèles espace-état non linéaires. Ce modèle combine le modèle de Markov caché (HMM) et le modèle espace-état linéaire (LSSM). Pour l'estimation de canal et la detection de données, l'approche espérance et maximisation (EM) est utilisée comme approche naturelle. De cette façon, le filtre de Kalman étendu (EKF) et les filtres à particules sont évités. / The aim of this thesis is to study the problem of data detection in wireless communication system, for both case of perfect and imperfect channel state information at the receiver. As well known, the complexity of MLSE being exponential in the channel memory and in the symbol alphabet cardinality is quickly unmanageable and forces to resort to sub-optimal approaches. Therefore, first we propose a new iterative equalizer when the channel is unknown at the transmitter and perfectly known at the receiver. This receiver is based on continuation approach, and exploits the idea of approaching an original optimization cost function by a sequence of more tractable functions and thus reduce the receiver's computational complexity. Second, in order to data detection under linear dynamic channel, when the channel is unknown at the receiver, the receiver must be able to perform joint equalization and channel estimation. In this way, we formulate a combined state-space model representation of the communication system. By this representation, we can use the Kalman filter as the best estimator for the channel parameters. The aim in this section is to motivate rigorously the introduction of the Kalman filter in the estimation of Markov sequences through Gaussian dynamical channels. By this we interpret and make clearer the underlying approximations in the heuristic approaches. Finally, if we consider more general approach for non linear dynamic channel, we can not use the Kalman filter as the best estimator. Here, we use switching state-space model (SSSM) as non linear state-space model. This model combines the hidden Markov model (HMM) and linear state-space model (LSSM). In order to channel estimation and data detection, the expectation and maximization (EM) procedure is used as the natural approach. In this way extended Kalman filter (EKF) and particle filters are avoided.

Les systèmes de localisations existants présentent des insuffisances au niveau desapplications en environnement indoor. Ces insuffisances se traduisent soit par la non-disponibilité des signaux (le GPS) dans ce type d’environnement, soit par leur manque de précision quand ils sont prévus à cet effet. Ces limites ont motivé la recherche de nouvelles techniques. Les transmissions Ultra-Large Bande (ULB) de par leur singularité en matière de précision et de faible puissance d’émission, s’avèrent être la meilleure réponse à la problématique ci-dessus. Nous avons donc choisi cette technique pour mettre au point un procédé de localisation endogène permettant d’assurer, avec précision, la continuité des services de localisation dans les environnements indoor. Ce procédé s’appuie sur la localisation en trois dimensions (3-D). Il utilise la technique temporelle de différenciation du temps d’arrivée (TDOA). Cette technique permet de mieux tirer profit de la bonne résolution temporelle de l’ULB et de pallier au problème de synchronisation entre l’émetteur et le récepteur. Deux techniques de transmission ULB ont été étudiées : la technique d’accès multiples par séquence directe (DS-CDMA) et la technique d’accès multiples par sauts temporels (TH-CDMA). Une autre étape importante de notre étude a été de développer un algorithme non-itératif de localisation en 3-D pour réduire le temps de calcul. En effet, l’utilisation d’un algorithme non-itératif permet d’optimiser les performances du système en termes de temps de calcul voire de coûts de consommation énergétique. Après l’étude théorique des différents blocs du système, le système a été tout d’abord simulé dans le canal Gaussien (AWGN) et les canaux IEEE.802.15.4a indoor. Il a été ensuite testé dans différents environnements réels de types laboratoires. Les résultats obtenus démontrent que l’utilisation des techniques de transmission basées sur la technologie radio impulsionnelle ULB permet d’obtenir un système de localisation en 3-D avec une précision centimétrique pour les applications indoor. / Existing positioning systems have deficiencies in applications indoor environment. These deficiencies result is the non-availability of signals (GPS) in this type of environment, either by their lack of precision when they are provided for this purpose. These limitations have led to research for novel techniques. Ultra-Wide Band (UWB) transmission techniques due to their uniqueness in terms of fine resolution and low power emission, prove to be the best answer to this problem. So we choose this technique to develop a process to ensure self location, with accuracy, continuity of location services in indoor environments. This method is based on the location in three dimensions (3-D). It uses the Time Difference Of Arrival (TDOA) technique. This technique allows to better take advantage of the high time resolution of the ULB and overcome the problem of synchronization between the transmitter and the receiver. Two UWB transmission techniques were studied: the Direct Sequence multiple access technique (DS-CDMA) and Time Hopping (TH-CDMA) multiple access technique. Another important step in our study was to develop a non-iterative positioning algorithm in 3-D to reduce the computation time. Indeed, using a non-iterative algorithm optimizes system performance in terms of computing time or cost of energy consumption. After the theoretical study of the system, the proposed positioning system was firstly simulated in Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel and indoor IEEE.802.15.4a channels. It was then tested in various real environments types laboratories. The results obtained show that using UWB impulse radio technology transmission techniques allows to achieve a high accuracy 3-D location system in order of centimeter for applications in indoor environments.

Dans la première partie de cette thèse, on formule deux méthodes pour le calcul d'une décomposition polyadique canonique avec facteurs matriciels linéairement structurés (tels que des facteurs de Toeplitz ou en bande): un algorithme de moindres carrés alternés contraint (CALS) et une solution algébrique dans le cas où tous les facteurs sont circulants. Des versions exacte et approchée de la première méthode sont étudiées. La deuxième méthode fait appel à la transformée de Fourier multidimensionnelle du tenseur considéré, ce qui conduit à la résolution d'un système d'équations monomiales homogènes. Nos simulations montrent que la combinaison de ces approches fournit un estimateur statistiquement efficace, ce qui reste vrai pour d'autres combinaisons de CALS dans des scénarios impliquant des facteurs non-circulants. La seconde partie de la thèse porte sur la récupération de tenseurs de rang faible et, en particulier, sur le problème de reconstruction tensorielle (TC). On propose un algorithme efficace, noté SeMPIHT, qui emploie des projections séquentiellement optimales par mode comme opérateur de seuillage dur. Une borne de performance est dérivée sous des conditions d'isométrie restreinte habituelles, ce qui fournit des bornes d'échantillonnage sous-optimales. Cependant, nos simulations suggèrent que SeMPIHT obéit à des bornes optimales pour des mesures Gaussiennes. Des heuristiques de sélection du pas et d'augmentation graduelle du rang sont aussi élaborées dans le but d'améliorer sa performance. On propose aussi un schéma d'imputation pour TC basé sur un seuillage doux du coeur du modèle de Tucker et son utilité est illustrée avec des données réelles de trafic routier / In the first part of this thesis, we formulate two methods for computing a canonical polyadic decomposition having linearly structured matrix factors (such as, e.g., Toeplitz or banded factors): a general constrained alternating least squares (CALS) algorithm and an algebraic solution for the case where all factors are circulant. Exact and approximate versions of the former method are studied. The latter method relies on a multidimensional discrete-time Fourier transform of the target tensor, which leads to a system of homogeneous monomial equations whose resolution provides the desired circulant factors. Our simulations show that combining these approaches yields a statistically efficient estimator, which is also true for other combinations of CALS in scenarios involving non-circulant factors. The second part of the thesis concerns low-rank tensor recovery (LRTR) and, in particular, the tensor completion (TC) problem. We propose an efficient algorithm, called SeMPIHT, employing sequentially optimal modal projections as its hard thresholding operator. Then, a performance bound is derived under usual restricted isometry conditions, which however yield suboptimal sampling bounds. Yet, our simulations suggest SeMPIHT obeys optimal sampling bounds for Gaussian measurements. Step size selection and gradual rank increase heuristics are also elaborated in order to improve performance. We also devise an imputation scheme for TC based on soft thresholding of a Tucker model core and illustrate its utility in completing real-world road traffic data acquired by an intelligent transportation

Dans le traitement de langue et des système de dialogue, il est courant de pré-entraîner des modèles de langue sur corpus humain avant de les affiner par le biais d'un simulateur et de résolution de tâches. Malheuresement, ce type d'entrainement tend aussi à induire un phénomène connu sous le nom de dérive du langage. Concrétement, les propriétés syntaxiques et sémantiques de la langue intiallement apprise se détériorent: les agents se concentrent uniquement sur la résolution de la tâche, et non plus sur la préservation de la langue. En s'inspirant des travaux en sciences cognitives, et notamment l'apprentigssage itératif Kirby and Griffiths (2014), nous proposons ici une approche générique pour contrer cette dérive du langage. Nous avons appelé cette méthode Seeded iterated learning (SIL), ou apprentissage itératif capitalisé. Ce travail a été publié sous le titre (Lu et al., 2020b) et est présenté au chapitre 2. Afin d'émuler la transmission de la langue entre chaque génération d'agents, un agent étudiant est d'abord pré-entrainé avant d'être affiné de manière itérative, et ceci, en imitant des données échantillonnées à partir d'un agent enseignant nouvellement formé. À chaque génération, l'enseignant est créé en copiant l'agent étudiant, avant d'être de nouveau affiné en maximisant le taux de réussite de la tâche sous-jacente. Dans un second temps, nous présentons Supervised Seeded iterated learning (SSIL) dans le chapitre 3, où apprentissage itératif capitalisé avec supervision, qui a été publié sous le titre (Lu et al., 2020b). SSIL s'appuie sur SIL en le combinant avec une autre méthode populaire appelée Supervised SelfPlay (S2P) (Gupta et al., 2019), où apprentissage supervisé par auto-jeu. SSIL est capable d'atténuer les problèmes de S2P et de SIL, i.e. la dérive du langage dans les dernier stades de l'entrainement tout en préservant une plus grande diversité linguistique. Tout d'abord, nous évaluons nos méthodes dans sous la forme d'une preuve de concept à traver le Jeu de Lewis avec du langage synthetique. Dans un second temps, nous l'étendons à un jeu de traduction se utilisant du langage naturel. Dans les deux cas, nous soulignons l'efficacité de nos méthodes par rapport aux autres méthodes de la litterature. Dans le chapitre 1, nous discutons des concepts de base nécessaires à la compréhension des articles présentés dans les chapitres 2 et 3. Nous décrivons le problème spécifique du dialogue orienté tâche, y compris les approches actuelles et les défis auxquels ils sont confrontés : en particulier, la dérive linguistique. Nous donnons également un aperçu du cadre d'apprentissage itéré. Certaines sections du chapitre 1 sont empruntées aux articles pour des raisons de cohérence et de facilité de compréhension. Le chapitre 2 comprend les travaux publiés sous le nom de (Lu et al., 2020b) et le chapitre 3 comprend les travaux publiés sous le nom de (Lu et al., 2020a), avant de conclure au chapitre 4. / In task-oriented dialogue, pretraining on human corpus followed by finetuning in a simulator using selfplay suffers from a phenomenon called language drift. The syntactic and semantic properties of the learned language deteriorates as the agents only focuses on solving the task. Inspired by the iterative learning framework in cognitive science Kirby and Griffiths (2014), we propose a generic approach to counter language drift called Seeded iterated learning (SIL). This work was published as (Lu et al., 2020b) and is presented in Chapter 2. In an attempt to emulate transmission of language between generations, a pretrained student agent is iteratively refined by imitating data sampled from a newly trained teacher agent. At each generation, the teacher is created by copying the student agent, before being finetuned to maximize task completion.We further introduce Supervised Seeded iterated learning (SSIL) in Chapter 3, work which was published as (Lu et al., 2020a). SSIL builds upon SIL by combining it with the other popular method called Supervised SelfPlay (S2P) (Gupta et al., 2019). SSIL is able to mitigate the problems of both S2P and SIL namely late-stage training collapse and low language diversity. We evaluate our methods in a toy setting of Lewis Game, and then scale it up to the translation game with natural language. In both settings, we highlight the efficacy of our methods compared to the baselines. In Chapter 1, we talk about the core concepts required for understanding the papers presented in Chapters 2 and 3. We describe the specific problem of task-oriented dialogue including current approaches and the challenges they face: particularly, the challenge of language drift. We also give an overview of the iterated learning framework. Some sections in Chapter 1 are borrowed from the papers for coherence and ease of understanding. Chapter 2 comprises of the work published as (Lu et al., 2020b) and Chapter 3 comprises of the work published as (Lu et al., 2020a). Chapter 4 gives a conclusion on the work.

Compte tenu des risques non-négligeables liés à la prise en charge des personnes souffrant de maladie d'Alzheimer sur la santé globale et le bien-être des aidants informels, l'OMS recommande fortement la mise en place d'interventions à leur égard. Bien que les programmes en ligne représentent un outil prometteur pour ces aidants surchargés, peu de recherches ont été menées sur leur conception et leur efficacité. Le but de cette thèse de doctorat était de contribuer à la connaissance et la compréhension des processus du développement et d'évaluation de ces interventions. Pour cela, quarante-neuf participants (12 professionnels de la santé, 6 aidants et 31 personnes âgées) ont participé au processus itératif de conception du programme Diapason centrée sur l'utilisateur. La dernière version a été évaluée dans un essai clinique randomisé, basé sur des méthodes de recherche mixtes. Quarante-neuf aidants informels de personnes atteintes de maladie d'Alzheimer ont été randomisés soit dans le groupe expérimental (n = 25) ou soit dans le groupe de contrôle (n = 24). Bien que les résultats portant sur l'efficacité du programme ne soient pas concluants, les personnes du groupe expérimental ont significativement augmenté leurs niveaux de connaissance de la maladie (p = 0,008 d' = 0,79). Par ailleurs, l'analyse qualitative a montré que les enfants des patients avaient donné un avis plus favorable que les épouses sur l'utilité du programme. Les résultats de ces travaux offrent des perspectives prometteuses pour ce type d'interventions, en particulier quand elles sont personnalisables et centrées sur les besoins des aidants. Ce travail permet de mieux appréhender les spécificités méthodologiques liées au développement et à l'évaluation des interventions des aidants. / Given the important consequences of caregiving on the overall health and wellbeing of informal caregivers, the WHO strongly recommends interventions for them. Although Internet-based programs represent a promising tool for overburdened caregivers, little research has been conducted about their design and efficacy. The purpose of this PhD dissertation was to contribute to the knowledge and understanding of the development, evaluation, and implementation process of these programs. For this purpose, we involved forty-nine participants (12 healthcare professionals, 6 caregivers, and 31 healthy older-adults) in the iterative user-centered design process for the development of the Diapason program. The latest version of this program was evaluated in a randomized clinical trial, based on mixed methods research. Forty-nine informal caregivers of persons with Alzheimer's disease were randomly assigned to the experimental (n=25) or control group (n=24). Although the results were non conclusive about the program's efficacy, the experimental group significantly improved their knowledge of the disease (p=0.008 d=0.79). Furthermore the qualitative analysis showed that children of patients were more positive than female spouses caregivers about the usefulness of the program. The findings of this research offer promising perspectives for this kind of interventions, particularly when individualized and centered on the needs of caregivers. This work allows for the understanding and analysis of specific methodological features to develop and evaluate caregivers' interventions.