Dans ce travail, nous proposons des solutions à la problématique constituée par les difficultés rencontrées dans l'optimisation de dispositifs électromagnétiques analysés par des méthodes de simulation numérique, notamment la Méthode des Eléments Finis. Parmi les difficultés, nous avons la grande diversité des problèmes, la recherche d'une solution globale, l'échange des données entre l'outil de simulation et l'outil d'optimisation et le temps de calcul onéreux pour atteindre une solution. Nous commençons par une description des méthodes les plus utilisées dans la résolution de problèmes d'optimisation, dans laquelle nous mettons en évidence leurs particularités et les principales caractéristiques qu'elles ont en commun. Après cette récapitulation, nous présentons l'architecture logiciel d'un outil d'optimisation idéalisée en s'appuyant sur les concepts de la Programmation Orientée Objet. Dans l'implémentation de cette architecture, nous considérons les difficultés issues des problèmes liés à la simulation numérique et nous proposons une nouvelle approche d'optimisation basée sur la Méthode des Plans d'Expérience. Pour valider cette nouvelle approche, nous présentons trois différentes applications en électrotechnique : l'optimisation d'un moteur à reluctance variable, l'optimisation d'un contacteur électromagnétique et la résolution du problème 25 du TEAM Worshop.

Les langages de programmation orientés-objet dynamiquement typés ne peuvent pas fournir d'informations de type avant l'exécution. Deux de leurs principaux avantages sont qu'ils permettent le prototypage rapide á et l'intégration de modifications lors de l'exécution. La capacité des langages dynamiquement typés accepter les changements du programme lors de son exécution et en l'absence d'informations de type, condamne les approches de sécurité classiques á l'échec. Contrôler les références des objets et des graphes d'objets est indispensable pour construire des systèmes sécurisés. Les approches existantes sont généralement basées sur un système de type statique et ne peuvent pas être appliquées aux langages dynamiquement typés. Cette thèse défend que: Dans le contexte des langages de programmation orientés-objet dynamiquement typés, réifier les références, contrôler leur comportement, et isoler l'état des objets par le biais de telles références, est un moyen pratique de contrôler les références. Cette thèse apporte cinq contributions: Nous proposons la notion de dynamic read-only objects (DRO) comme un changement particulier (read-only) de comportement au niveau des références; Nous généralisons le modèle DRO pour permettre des changements de comportement plus génériques et nous étendons l'environnement de programmation et le langage Pharo avec des Handles, qui sont des références avec la possibilité de changer le comportement des objets référencés.; Nous définissons le terme de Metahandle pour offrir flexibilité et adaptabilité aux références contrôlées; Nous proposons la notion de SHandle, pour isoler les effets de bord au niveau des références; Et enfin, nous décrivons formellement les modèles Handle et SHandle pour représenter et expliquer leur sémantique. Comme validation de notre thèse nous avons mis en place trois approches liées a la securité en utilisant nos modeless. En outre, nous avons étendu la machine virtuelle Pharo pour supporter les Handles, Metahandles et SHandles.

Cette thèse comporte trois parties. <br />Dans la première, nous présentons une méthode de simulation d'écoulements fluide/particules. Nous montrons que la pénalisation du tenseur des contraintes, associée à une discrétisation en temps par la méthode des caractéristiques, conduit à une formulation variationnelle de type Stokes généralisée. Des tests numériques sont effectués sous FreeFem++ afin d'étudier la convergence. Nous en présentons également trois exemples d'utilisation. <br />Dans la seconde partie nous proposons un modèle permettant de prendre en compte les forces de lubrification dans les simulations directes d'écoulements fluide/particules. Nous présentons d'abord un modèle de contact visqueux dans le cas particule/plan, obtenu comme limite, à viscosité nulle, du modèle de lubrification. Nous décrivons ensuite un algorithme reposant sur une étape de projection des vitesses, à chaque instant, sur un espace dit de vitesses admissibles. On montre alors la convergence du schéma et on généralise l'algorithme au cas multi-particules. Nous en présentons également un exemple de programmation orientée objet. <br />Dans la dernière partie, nous considérons un système discret de sphères (boulier en 1D) qui interagissent à travers la force de lubrification. Le modèle microscopique repose sur le développement de cette force à courte distance. Nous proposons une équation constitutive marcoscopique, de type Newtonien, reposant sur une viscosité linéique proportionnelle à l'inverse de la fraction locale de fluide. Nous établissons la convergence du modèle microscopique vers le modèle macroscopique proposé.

Nous développons des algorithmes parallèles pour la résolution de problèmes non-linéaires de grande taille. Les cadres d'application sont la simulation de matériaux hyperélastiques incompressibles en grandes déformations et l'étude des milieux poreux, dont les modélisations choisies font apparaître des inconnues en déplacement et en pression.<br /><br />Nous retenons une stratégie éléments-finis associée à un solveur Newton-Raphson et une décomposition de domaine sans recouvrement combinée à un solveur de Krylov. <br /><br />Nous proposons des améliorations pour adapter ces approches à nos problèmes, puis pour des cas plus exigeants nous définissons une nouvelle approche de décomposition de domaine, appelée approche hybride, permettant de mieux respecter la physique des phénomènes et unifiant les approches classiques. Nous proposons également des stratégies d'accélération du processus non-linéaire. Enfin un cadre orienté objet est exposé pour la mise en oeuvre de l'ensemble des méthodes proposées.

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.

Nous nous intéressons à la modélisation des mouvements de foule causés par des situations d'évacuation d'urgence. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle mathématique et une méthode numérique de gestion des contacts, afin de traiter les interactions locales entre les personnes pour finalement mieux rendre compte de la dynamique globale du trafic piétonnier. Nous proposons un modèle microscopique de mouvements de foule reposant sur deux principes. D'une part, chaque personne a une vitesse souhaitée, celle qu'elle aurait en l'absence des autres. D'autre part, la vitesse réelle des individus prend en compte une certaine contrainte d'encombrement maximal. En précisant le lien entre ces deux vitesses, le problème d'évolution prend la forme d'une inclusion différentielle du premier ordre. Son caractère bien posé est démontré en utilisant des résultats sur les processus de rafle par des ensembles uniformément prox-réguliers. Ensuite, nous présentons un schéma numérique et démontrons sa convergence. Pour calculer une vitesse souhaitée particulière (celle dirigée par le plus court chemin évitant les obstacles), nous présentons une programmation orientée objet ayant pour but de simuler l'évacuation d'une structure de plusieurs étages présentant une géométrie quelconque. Nous finissons avec d'autres choix de vitesse souhaitée (par exemple, en ajoutant des stratégies individuelles) et présentons les résultats numériques associés. Ces simulations numériques permettent de retrouver certains phénomènes observés lors de déplacements piétonniers.

Nous étudions le problème de la composition par coordination, dans lequel un groupe de composants de domaines distincts doivent travailler ensemble pour réaliser une application. Sachant que toute connexion directe entre deux composants de deux domaines différents engendre des problèmes d'évolution, nous avons exploré la coordination comme une façon de composer. Nous avons caractérisé le problème de la coordination entre domaines, et montré les modèles de conteneurs comme une solution rudimentaire à ce problème. Nous avons étudié le monde de la coordination, et nous avons introduit la "fédération", comme une architecture logicielle qui permet de structurer les applications comme un ensemble de composants qui coopèrent pour atteindre un but commun. Nous avons défini l'univers commun (les relations entre les composants de domaines distincts) et les contrats de coordination (la matérialisation des règles de jeu), comme les structures de base d'une fédération

Lors de l'exécution des applications à base d'objets, plusieurs millions d'objets peuvent être créés, utilisés et enfin détruits s'ils ne sont plus référencés. Néanmoins, des dysfonc- tionnements peuvent apparaître, quand des objets qui ne sont plus utilisés ne peuvent être détruits car ils sont référencés. De tels objets gaspillent la mémoire principale et les ap- plications utilisent donc davantage de mémoire que ce qui est effectivement requis. Nous affirmons que l'utilisation du gestionnaire de mémoire virtuel du système d'exploitation ne convient pas toujours, car ce dernier est totalement isolé des applications. Le système d'exploitation ne peut pas prendre en compte ni le domaine ni la structure des applications. De plus, les applications n'ont aucun moyen de contrôler ou influencer la gestion de la mémoire virtuelle. Dans cette thèse, nous présentons Marea, un gestionnaire de mémoire virtuelle piloté par les applications à base d'objets. Il constitue une solution originale qui permet aux développeurs de gérer la mémoire virtuelle au niveau applicatif. Les développeurs d'une application peuvent ordonner à notre système de libérer la mémoire principale en trans- férant les objets inutilisés, mais encore référencés vers une mémoire secondaire (telle qu'un disque dur). En plus de la description du modèle et des algorithmes sous-jacents à Marea, nous présentons notre implémentation dans le langage Pharo. Notre approche a été validée à la fois qualitativement et quantitativement. Ainsi, nous avons réalisés des expérimentations et des mesures sur des applications grandeur-nature pour montrer que Marea peut réduire l'empreinte mémoire de 25% et jusqu'à 40%.

Dans cette thèse nous apportons deux contributions importantes par l'outil de l'abstraction mathématique : - La première contribution concerne la mécanique et plus précisément la modélisation dynamique des systèmes articulés. L'abstraction mathématique par la théorie des groupes et algèbres de Lie coordonnée avec un usage judicieux de la notion des nombres duaux permet d'élaborer un langage très commode où les modèles géométriques et dynamiques des systèmes mécaniques poly-articulés s'expriment sous une forme syntaxique relativement simple (malgré la complexité du système). De nouvelles méthodes pour la description des configurations des systèmes multicorps et un algorithme récurrent original (et très efficace) sont alors développés grâce à ce langage. - La seconde contribution concerne le domaine informatique en calcul formel. Elle est basée sur le typage algébrique, les techniques de réécriture et la génération automatique des codes (programmation assistée par ordinateur). Les problèmes soulevés nécessitent de nouvelles architectures de systèmes de calcul formel. Dans cet ordre d'idées, un prototype de système de calcul formel (SURVEYOR) basé sur la réécriture typée et une extension (MEDUSA MF77) du système Maple ont été réalisés. Un outil informatique pour la génération automatique des codes Fortran et Maple des schémas de calcul optimisés relatifs à notre formulation dynamique est développé à l'aide du système MEDUSA MF77. Plusieurs applications en calcul symbolique et en robotique sont, par ailleurs, présentées en annexes sous forme de réalisations informatiques des aspects théoriques traités.

Cette thèse est une partie d’un projet français qui s’appelle AEROSTRIP, un partenariat entre l’Institut Pascal, Sigma, SAPPI et Air-France industries, il est financé par le gouvernement français par le programme FUI (20 eme appel). Le projet AEROSTRIP consiste à développer le premier système automatique qui nettoie écologiquement les surfaces des avions et les pièces de rechange en utilisant un abrasif écologique projeté à grande vitesse sur la surface des avions (maïs). Ma thèse consiste à optimiser les trajectoires du système robotique total de telle façon que le décapage de l’avion soit optimal. Le déplacement des robots est nécessaire pour assurer une couverture totale de la surface à décaper parce que ces surfaces sont trop grandes et elles ne peuvent pas être décapées d’une seule position. Le but de mon travail est de trouver le nombre optimal de robots avec leur positions optimales pour décaper totalement l’avion. Une fois ce nombre est déterminé, on cherche les trajectoires des robots entre ces différentes positions. Alors, pour atteindre ce but, j’ai défini un cadre général composant de quatre étapes essentiels: l’étape pre-processing, l’étape optimization algorithm, l’étape generation of the end-effector trajectories et l’étape robot scheduling, assignment and control.Dans ma thèse, j’ai deux contributions dans deux différentes étapes du cadre général: l’étape pre-processing et l’étape optimization algorithm. Le calcul de l’espace de travail du robot est nécessairedans l’étape pre-processing: on a proposé l’Analyse par Intervalles pour trouver cet espace de travail parce qu’il garantie le fait de trouver des solutions dans un temps de calcul raisonnable. Alors, ma première contribution est une nouvelle fonction d’inclusion qui réduit le pessimisme, la surestimation des solutions qui est le principal inconvénient de l’Analyse par Intervalles. La nouvelle fonction d’inclusion est évaluée sur des problèmes de satisfaction de contraintes et des problèmes d’optimisation des contraintes. En plus, on a proposé un algorithme d’optimisation hybride pour trouver le nombre optimal de robots avec leur positions optimales: c’est notre deuxième contribution qui est dans l’étape optimization algorithm. Pour évaluer l’algorithme d’optimisation, on a testé cet algorithme sur des surfaces régulières, comme un cylindre et un hémisphère, et sur un surface complexe: une voiture. / This PHD is a part of a French project named AEROSTRIP, (a partnership between Pascal Institute,Sigma, SAPPI, and Air-France industries), it is funded by the French Government through the FUIProgram (20th call). The AEROSTRIP project aims at developing the first automated system thatecologically cleans the airplanes surfaces using a process of soft projection of ecological media onthe surface (corn). My PHD aims at optimizing the trajectory of the whole robotic systems in orderto optimally strip the airplane. Since a large surface can not be totally covered by a single robot base placement, repositioning of the robots is necessary to ensure a complete stripping of the surface. The goal in this work is to find the optimal number of robots with their optimal positions required to totally strip the air-plane. Once found, we search for the trajectories of the robots of the multi-robot system between those poses. Hence, we define a general framework to solve this problem having four main steps: the pre-processing step, the optimization algorithm step, the generation of the end-effector trajectories step and the robot scheduling, assignment and control step.In my thesis, I present two contributions in two different steps of the general framework: the pre-processing step, the optimization algorithm step. The computation of the robot workspace is required in the pre-processing step: we proposed Interval Analysis to find this workspace since it guarantees finding solutions in a reasonable computation time. Though, our first contribution is a new inclusion function that reduces the pessimism, the overestimation of the solution, which is the main disadvantage of Interval Analysis. The proposed inclusion function is assessed on some Constraints Satisfaction Problems and Constraints Optimization problems. Furthermore, we propose an hybrid optimization algorithm in order to find the optimal number of robots with their optimal poses: it is our second contribution in the optimization algorithm step. To assess our hybrid optimization algorithm, we test the algorithm on regular surfaces, such as a cylinder and a hemisphere, and on a complex surface: a car.