Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse a pour objet la modélisation individu-centrée des systèmes sociaux. Une première partie orientée aide à la décision présente un modèle d'évolution des populations rurales fortement inspiré des données. Une seconde partie, plus théorique, étudie divers mécanismes permettant à un individu d'accepter ou de résister à une influence sociale. Nous proposons tout d'abord un modèle individu-centré de la dynamique des municipalités rurales européennes, implémenté pour le département du Cantal. Nous proposons un nouvel algorithme de génération des populations initiales ne nécessitant pas d'échantillon de population (approche classique). Nous concevons et paramétrons un modèle de la dynamique de l'individu face au marché du travail basé sur les données de la " European Labour Force Survey ". Il inclut des heuristiques originales de transition d'états tel qu'actifs, inactifs, chômeurs, ... prenant en compte l'âge, la profession et le secteur d'activité de l'individu. Nous déterminons les dynamiques non fondés sur des données individuelles en testant la capacité de dynamiques simples à produire des résultats proches des données agrégées disponibles. Est ainsi conçu un modèle de mobilité résidentielle, expliquant partiellement la migration et intégrant décision de déménager et choix d'une nouvelle résidence. La seconde partie de la thèse étudie les effets collectifs de différents mécanismes permettant aux individus de résister à ou d'accepter une influence sociale. Un premier mécanisme étudié est un filtre cognitif impliquant qu'un individu ne reçoit pas une information incongruente ou peu importante. Les individus " filtreurs " exhibent le biais de primauté car leur attitude n'est déterminée que par les premiers éléments reçus et se montrent négatifs alors que le message diffusé par un media est neutre. Le taux d'individus négatifs dans la population est accru ou diminuer par l'échange direct d'information entre les individus. Un second mécanisme est un rejet de la tentative d'influence qui mène l'individu à différencier davantage son attitude de celle de son interlocuteur. Il intervient lorsque l'individu éprouve un inconfort lié au fait qu'il est à la fois en accord et en désaccord avec son interlocuteur. Le couplage de ce rejet à un mécanisme d'attraction entre individus en accord entraîne un nombre moindre de groupes d'opinion différentes à l'échelle de la population (ie par rapport au nombre de groupes obtenus avec le seul mécanisme d'attraction).

Dans les centres hospitaliers, la remontée des patients en assistance totale (AT) vers la tête de leur lit (RPL-AT) représente l’une des tâches de manutention de patients (MP) les plus fréquemment effectuées dans les unités de soins intensifs et est l’une des tâches les plus à risque de blessures musculosquelettiques associées à la MP (MS-MP). Les préposés aux bénéficiaires (PB) sont les soignants qui dénombrent le plus de blessures MS-MP et ce sont eux qui effectuent la majorité des RPL-AT. L’alèze de glissement est l’outil le plus fréquemment utilisé pour réaliser les RPL-AT. Bien que le lève-personne semble avantageux, il est chronophage et il a été démontré que son utilisation ne diminue pas les risques de blessures MS-MP lorsqu’utilisé pour effectuer les RPL-AT. Selon la technique enseignée avec alèze de glissement, deux PB sont en mesure de réaliser les RPL-AT pour une majorité de la population. Toutefois, il est possible que ceci ne soit possible que par l’utilisation d’une stratégie de contrôle moteur (SCM) impliquant un mouvement corporel de recul impulsif. Une telle SCM, nommée impulsion excentrique, présente cependant des risques de blessures MS. L’objectif de ce projet doctoral était de démontrer que pour deux PB moyens, selon les conditions actuelles, il est impossible de réaliser la tâche de RPL auprès de 95% des patients en AT selon leur MC sans utiliser ce type de SCM. Pour ce faire, les courbes de forces de tire requises pour accomplir la tâche ont été établies en quantifiant, d’une part, la MC de la population des patients en AT et, d’autre part, le coefficient de frottement alèze-matelas pour différents matelas et charges. De ces informations, des modèles de prédiction de la force de tire requise pour réaliser des RPL-AT auprès de patients de 50 à 275 kg ont été établis. Des modèles statiques et dynamiques ont été élaborés afin d’évaluer la capacité de tire des PB moyens selon les SCM par contraction concentrique et par impulsion excentrique, respectivement. Les résultats démontrent que seulement 15% des patients en AT peuvent être remontés par deux PB à l’aide d’une SCM par contraction concentrique. Ce taux augmente à 95% s’ils ont recours à un mouvement corporel de recul impulsif dont la vitesse horizontale initiale est de 1,9 m/s. L’ajout d’une jambe en fente arrière et/ou d’un angle de tire n’a qu’un impact limité sur l’augmentation de la capacité de tire en début de traction. Il est donc impossible de réaliser les RPL-AT auprès de 95% de la population cible sans avoir recours à une SCM par impulsion excentrique.

En vue d'analyser les résultats expérimentaux de spectroscopie d'impédance sur des électrodes de piles à combustible de type PEFC, nous avons développé un nouveau modèle de connaissance et de compréhension du comportement dynamique d'un assemblage Electrodes-Membrane. Ce modèle, de nature multiéchelle et mécanistique, est basé sur la thermodynamique irréversible et l'électrodynamique. Il dépend des paramètres physiques internes, tels que la surface active spécifique, les permittivités électriques des matériaux, les constantes cinétiques et les coefficients de diffusion des réactifs.<br />Le modèle réalise le couplage d'une description des phénomènes de transport de charges (électronique et protonique) à travers l'épaisseur des électrodes et de la membrane, avec des modèles spatialement distribués de l'interface nanoscopique Nafion®-Pt/C et de la diffusion des réactifs (hydrogène et oxygène) à travers la couche de Nafion® recouvrant les particules de Pt/C. Le modèle interfacial nanoscopique est basé sur une nouvelle description interne de la dynamique de la double couche électrochimique prenant en compte à la fois les phénomènes de transport dans la couche diffuse et les réactions électrochimiques et l'adsorption d'eau dans la couche compacte.<br />Des nombreux couplages entre domaines de la physique, comme le transport par diffusion-migration et l'électrochimie, sont introduits. L'écriture du Bond Graph dimension infinie de ce modèle nous a permis de déterminer les causalités de ces différents couplages, à l'aide de 20-Sim®, et de le doter d'une structure modulaire et modulable (pour l'incorporation future d'autres phénomènes physico-chimiques, ou sa réutilisation dans d'autres systèmes électrochimiques). Enfin, la résolution numérique a été réalisée sous Matlab/Simulink® couplé à Femlab® (méthode d'éléments finis).<br />La réponse dynamique d'une cellule de PEFC, dépendante du courant, de la température, des pressions de réactifs et de la composition structurale des électrodes, peut être simulée. Le modèle permet d'évaluer la sensibilité des spectres d'impédance aux conditions de fonctionnement et à la composition des électrodes, ainsi que les contributions des différents phénomènes et couches constitutives. <br />Nous avons réalisé un protocole expérimental sur une cellule PEFC de petite taille en vue de valider le modèle. Les mesures de spectroscopie d'impédance réalisées sur ce banc ont permis la validation des modèles proposés ainsi que l'estimation partielle de ses paramètres.

L'un des objectifs de cette étude était de proposer un modèle<br />capable de prédire le régime transitoire et d'estimer rapidement<br />l'état des procédés cycliques de séparation de gaz par adsorption<br />modulée en pression (P.S.A.) en régime établi. En effet, des<br />problèmes de temps de calcul se posent encore de nos jours, alors<br />qu'un simulateur rapide et fiable est nécessaire au<br />dimensionnement optimal du procédé, voire son contrôle.<br /><br />Dans ce but, deux approches ont été adoptées. La première consiste<br />à accélérer la simulation de chacune des étapes du cycle en<br />simplifiant le modèle de grains d'adsorbant bidisperses. La<br />démarche suivie pour simplifier le modèle intra-granulaire est<br />proche de celle employée pour établir le modèle classique de<br />« Linear Driving Force ». Une étude a été menée concernant le<br />choix des variables d'état et la répartition spatiale des<br />résistances au transfert de matière dans le grain. Ces deux<br />paramètres ont en effet tous deux une influence sur la structure<br />du modèle. Le modèle global de colonne basé sur ce modèle<br />intra-granulaire conduit à des simulations de courbes de perçage<br />en bon accord avec celles de la littérature.<br /><br />La seconde approche repose sur l'approximation du procédé cyclique<br />par un procédé continu équivalent. Le simulateur basé sur ce<br />modèle permet d'estimer à la fois la mise en régime et l'état du<br />système en régime établi de façon quasi-instantanée. Pour des<br />séparations de type cinétique, les simulations obtenues avec ce<br />modèle sont en bon accord avec celles obtenues avec un modèle<br />cyclique classique.<br /><br />L'autre objectif de ce travail était de concevoir un pilote de<br />procédé P.S.A. intégralement contrôlé par informatique, permettant<br />de suivre les compositions de sortie, ainsi que les profils de<br />température dans chaque colonne. Une étude expérimentale a été<br />menée sur ce pilote. Elle porte sur la séparation de mélanges de<br />méthane et de dioxyde de carbone sur une zéolithe 5A. Cette étude,<br />associée aux résultats expérimentaux de la littérature, permet de<br />valider notre premier modèle.

Cette thèse étudie la question de la génération de mouvements corps-complet pour des systèmes anthropomorphes. Elle considère le problème de la modélisation et de la commande en abordant la question difficile de la génération de mouvements ressemblant à ceux de l'homme. En premier lieu, un modèle dynamique du robot humanoïde HRP-2 est élaboré à partir de l'algorithme récursif de Newton-Euler pour les vecteurs spatiaux. Un nouveau schéma de commande dynamique est ensuite développé, en utilisant une cascade de programmes quadratiques (QP) optimisant des fonctions coûts et calculant les couples de commande en satisfaisant des contraintes d'égalité et d'inégalité. La cascade de problèmes quadratiques est définie par une pile de tâches associée à un ordre de priorité. Nous proposons ensuite une formulation unifiée des contraintes de contacts planaires et nous montrons que la méthode proposée permet de prendre en compte plusieurs contacts non coplanaires et généralise la contrainte usuelle du ZMP dans le cas où seulement les pieds sont en contact avec le sol. Nous relions ensuite les algorithmes de génération de mouvement issus de la robotique aux outils de capture du mouvement humain en développant une méthode originale de génération de mouvement visant à imiter le mouvement humain. Cette méthode est basée sur le recalage des données capturées et l'édition du mouvement en utilisant le solveur hiérarchique précédemment introduit et la définition de tâches et de contraintes dynamiques. Cette méthode originale permet d'ajuster un mouvement humain capturé pour le reproduire fidèlement sur un humanoïde en respectant sa propre dynamique. Enfin, dans le but de simuler des mouvements qui ressemblent à ceux de l'homme, nous développons un modèle anthropomorphe ayant un nombre de degrés de liberté supérieur à celui du robot humanoïde HRP2. Le solveur générique est utilisé pour simuler le mouvement sur ce nouveau modèle. Une série de tâches est définie pour décrire un scénario jo ué par un humain. Nous montrons, par une simple analyse qualitative du mouvement, que la prise en compte du modèle dynamique permet d'accroitre naturellement le réalisme du mouvement.

L'objectif de cette thèse est d'étendre l'utilisation des modèles de calcul de la dynamique du véhicule en proposant de nouvelles méthodologies inspirées du domaine de la planification de mouvements. Les modèles de dynamique du véhicule que nous considérons sont de nature industrielle : ils sont complexes, non linéaires et disponibles en règle générale sous forme de boîte noire uniquement. Ils sont utilisés traditionnellement avec des techniques de simulations qui partent d'une définition précise d'un état de départ et des sollicitations venant du conducteur. Les méthodes que nous proposons visent à prendre en compte une description plus "réelle" de la manoeuvre ou du test qu'effectue le véhicule : un certain domaine initial dont part le véhicule, un couloir à suivre sans sortir des limites, et un domaine d'arrivée. Outre la recherche d'une solution à ce problème de réalisation d'une certaine manoeuvre, on traite également les deux problèmes suivants : produire un échantillon représentatif de l'ensemble des manières de réaliser la man÷uvre ; trouver la valeur limite d'un paramètre (par exemple la vitesse initiale) au-delà de laquelle il n'y a plus de solution. Différentes techniques ont été mises en oeuvre avec succès, citons notamment : des méthodes exploratoires, un outil de contrôle optimal et un algorithme modifié de déformation de trajectoire. Ces outils génériques sont tous capables de s'adapter sans peine à toutes sortes de véhicules ou d'obstacles. Chacun présente cependant des avantages et des contraintes spécifiques. Ces méthodes ont été appliquées aux cas particuliers de manoeuvres standardisées de véhicules de tourisme. Les méthodes proposées permettent de déterminer de manière robuste et cohérente les limites physiques des véhicules sur ces tests.

La simulation numérique est l’un des outils les plus puissants pour concevoir etoptimiser les systèmes industriels. Dans le domaine de la Dynamique des FluidesNumériques (CFD, "Computational Fluid Dynamics"), la simulation auxgrandes échelles (LES, "Large Eddy Simulation") est aujourd’hui largementutilisée pour calculer les écoulements turbulents réactifs, où les tourbillons degrande taille sont calculés explicitement, tandis que l’effet de ceux de petitetaille est modelisé. Des modèles de sous-mailles sont requis pour fermer leséquations de transport en LES, et dans le contexte de la simulation de la combustionturbulente, le plissement de la surface de flamme de sous-maille doitêtre modélisé.En général, augmenter le plissement de la surface de flamme de sous-maille favorisela combustion. L’amplitude de la promotion est donnée par une fonctiond’efficacité, qui est dérivée d’une hypothèse d’équilibre entre la production etla destruction de la surface de flamme. Dans les méthodes conventionnelles,le calcul de la fonction d’efficacité nécessite une constante qui dépend de lagéométrie de la chambre de combustion, de l’intensité de turbulence, de larichesse du mélange de air-carburant etc, et cette constante doit être fixée audébut de la simulation. Autrement dit, elle doit être déterminé empiriquement.Cette thèse développe un modèle de sous-maille pour la LES en combustionturbulente, qui est appelé le modèle dynamique de flammelette épaissie (DTF,"dynamic thickened flamelet model"), qui détermine la valeur de la constanteen fonction des conditions de l’écoulement sans utiliser des données empiriques.Ce modèle est tout d’abord testé sur une flamme laminaire unidimensionnellepour vérifier la convergence de la fonction d’efficacité vers l’unité (aucun plissementde la surface de flamme de sous-maille). Puis il est appliqué en combinaisonavec le modèle dynamique de Smagorinsky (Dynamic Smagorinskymodel) aux simulations multidimensionnelles d’une flamme en V, stabilisée enaval d’un dièdre. Les résultats de la simulation en trois dimensions sont alorscomparés avec les données expérimentales obtenues sur une expérience de mêmegéométrie. La comparaison montre la faisabilité de la formulation dynamique. / Numerical simulation is one of the most powerful tools to design and optimizeindustrial facilities. In the field of Computational Fluid Dynamics (CFD),Large Eddy Simulation (LES) is widely used to compute turbulent reactingflows, where larger turbulent motions are explicitly computed, while only theeffect of smaller ones is modeled. Subgrid models are required to close thetransport equations in LES, and in the context of the simulation of turbulentcombustion, the subgrid-scale wrinkling of the flame front must be modeled.In general, subgrid-scale flame wrinkling promotes the chemical reaction. Themagnitude of the promotion is given through an efficiency function derivedfrom an equilibrium assumption between production and destruction of flamesurface. In conventional methods, the calculation of the efficiency functionrequires a constant which depends on the geometry of the combustion chamber,turbulence intensity, the equivalence ratio of the fuel-air mixture, and so on;this constant must be prescribed at the beginning of the simulation. In otherwords, empirical knowledge is required.This thesis develops a subgrid-scale model for LES of turbulent combustion,called the dynamic thickened flamelet (DTF) model, which determines the valueof the constant from the flow conditions without any empirical input.The model is first tested in a one-dimensional laminar flame to verify the convergenceof the efficiency function to unity (no subgrid-scale flame front wrinkling).Then it is applied to multi-dimensional simulations of V-shape flamestabilized downstream of a triangular flame holder in combination with the dynamicSmagorinsky model. The results of the three-dimensional simulation arethen compared with the experimental data obtained through the experimentof the same geometry. The comparison proves the feasibility of the dynamicformulation.

La manipulation aérienne est l’un des défis de la robotique au cours de cette dernière décennie. L’un des freins au développement des manipulateurs aériens est l’autonomie limitée des drones, réduite par la charge et la consommation électrique du manipulateur embarqué. Une solution pour dépasser cette limite passe par la collaboration de plusieurs drones dans une tâche de manipulation. Cette thèse porte sur la conception et la commande d’un nouveau type de véhicule autonome aérien destiné à la manipulation. Le concept consiste à faire collaborer plusieurs drones, en particulier des quadricoptères, au travers d’une architecture passive polyarticulée. Le robot ainsi obtenu est une fusion entre l’architecture passive d’un robot parallèle et plusieurs drones. L’étude du modèle dynamique de cette classe de robots met en avant un découplage dans le modèle dynamique. Ce découplage permet la conception d’une commande en cascade qui assure la stabilisation et le suivi de trajectoire pour ces robots. Deux cas d’étude sont ensuite déclinés dans cette thèse : un robot parallèle volant à deux drones et un robot parallèle volant à trois drones. Pour ces deux robots, une simulation numérique est effectuée afin de valider le fonctionnement de la commande. Ces simulations ont également permis de valider la possibilité de changer la configuration de l’architecture passive en vol. Les travaux ont été portés avec succès jusqu’au stade expérimental pour le robot volant à deux drones. / Aerial manipulation is one of the challenges of robotics over the last decade. One of the constraints on the development of aerial manipulators is the limited autonomy of drones, reduced by the load and energy consumption of the on-board manipulator. One way to overcome this limit is to have several drones collaborate on a manipulation task. This thesis deals with the design and control of a new type of autonomous aerial vehicle for manipulation tasks. The concept consists in the collaboration of several drones, in particular quadrotors, through a polyarticulated passive architecture. The robot thus obtained is a fusion between the passive architecture of a parallel robot and several drones. The study of the dynamic model of this robot class highlights a decoupling in the dynamic model. This decoupling allows the design of a cascade control law. This controller provides stabilization and trajectory tracking for these robots. Two study cases are then presented in this thesis: a flying parallel robot with two drones and a flying parallel robot with three drones. For these two robots, a numerical simulation is performed to validate the controller performances. These simulations also allowed to validate the reconfiguration abilities of passive architecture in flight. The work was successfully carried to the experimental stage for the flying robot with two drones.

Les grands robots marcheurs sont des systèmes mécatroniques poly-articulés complexes qui cristallisent la volonté des humains de conférer leurs capacités à des artefacts, l’une d’entre elle étant la locomotion bipède, et plus particulièrement la conservation de l’équilibre face à des perturbations extérieures. Cette thèse propose un stabilisateur postural ainsi que sa mise en œuvre sur le système locomoteur BIP 2000.Ce robot anthropomorphique possède quinze degrés de libertés actionnés par moteurs électriques et a reçu un nouvel automate ainsi que des variateurs industriels lors de la mise à jour réalisée dans le cadre de ces travaux. Un contrôleur a été conçu et implémenté en suivant les principes de la programmation orientée objet afin de fournir une modularité qui s’inspire de la symétrie naturelle des humanoïdes. Cet aspect a conduit à l’élaboration d’un ensemble d’outils mathématiques permettant de calculer l’ensemble des modèles d’un robot composé de sous-robots dont on connaîtrait déjà les modèles. Le contrôleur permet notamment à la machine de suivre des trajectoires calculées hors ligne par des algorithmes de génération de marches dynamiques ainsi que de tester le stabilisateur postural.Ce dernier consiste en un contrôle en position du robot physique par la consigne d’un robot virtuel de modèle dégradé, commandé en effort, soumis à des champs électrostatiques contraignant sa configuration articulaire. Les tests effectués ont permis de montrer la faisabilité de la méthode. / Big walking robots are complex multi-joints mechanical systems which crystallize the human will to confer their capabilities on artefacts, one of them being the bipedal locomotion and more especially the balance keeping against external disturbances. This thesis proposes a balance stabilizer under operating conditions displayed on the locomotor system BIP 2000.This anthropomorphic robot has got fifteen electrically actuated degree of freedom and an Industrial controller. A new software has been developed with an object-oriented programming approach in order to propose the modularity required by the emulated and natural human symmetry. This consideration leads to the development of a mathematical tool allowing the computation of every modelling of a serial robot which is the sum of multiple sub robots with already known modelling. The implemented software also enables the robot to run offline generated dynamic walking trajectories and to test the balance stabilizer.We explore in this thesis the feasibility of controlling the center of gravity of a multibody robotic system with electrostatic fields acting on its virtual counterpart in order to guarantee its balance. Experimental results confirm the potential of the proposed approach.