Cette étude se propose d’analyser le comportement du double rotor contra-rotatif caréné dans lecadre des échelles réduites des microdrones, pour exploiter le potentiel d’amélioration desperformances stationnaires des rotors libres. La demande d’une performance propulsive de hautniveau, alors que les échelles sont très réduites constitue un véritable défi scientifique. De façongénérale, par rapport au rotor libre, l’ajout de la carène permet de piloter la contraction del’écoulement et offre un potentiel de poussée de carène. La tuyère par sa condition d’adaptationpilote le débit entrant à puissance donnée. L’augmentation du débit massique, par comparaison ausystème de rotor libre, amplifie la poussée à travers la dépression distribuée sur toute la surface decaptation. Pour comprendre les lois de fonctionnement d’un système propulsif caréné, il a d’abord été proposé un modèle théorique simplifié basé sur une extension de la théorie de Froude pour les rotors libres: le système rotor est assimilé à un disque actuateur, générateur de débit dans une conduite à section variable. Une simulation Navier Stokes 2D axisymétrique a permis d’optimiser les paramètres de forme du carénage. Les simulations ont confirmé l’influence déterminante des sections d’entrée et de sortie, et relativisé l’impact des formes possibles, pourvu que les variations de sections limitent le décollement de la couche limite. Après conception d’un banc d’essai utilisant un doublet de rotor coaxial placé dans cette carène optimisée, l’étude expérimentale complète et confirme les performances globales du système et qualifie l’écoulement méridien. Enfin, une simulation 3D instationnaire a été entreprise pour compléter l’analyse de l’écoulement autour des rotors. / This study aims to analyze the behavior of shrouded, contrarotating coaxial rotor in the reducedMAVs’ scale in order to exploit its potential to improve the free rotor steady performance. The highhover ability under low operational Reynolds number is therefore, a scientific challenge. Generally,comparing with free rotor, the addition of the shroud decreases the flow contraction and gives thepotential to generate an extra thrust. A suitable nozzle can control the mass flow for a given power.The increased mass flow, comparing with free rotor, amplifies the thrust offered by the lowpressure formed at the air entrance. To understand the principals of shrouded propulsion system, a simplified theory model was first proposed through the extension of Froude theory for free rotors: the double rotor is initially treated as an actuator disk, generating the flow at varied sections through the shroud passage. A 2D simulation which accounts for an axial flow of viscous effects within the actual shroud profile, confirmed effects of all defined geometrical parameters. It further demonstrated that within the non-stalling region of the different crosssections, shroud shape and inlet shape do not have asignificant impact on performance. The experimental study, carried out with coaxial rotor, contributed to the confirmation of the overall performance and the approximation of the flow field through the shroud. Meanwhile, the 3D simulation, developed to better model the actual coaxial rotor in counter rotation, was validated to well solve the steady performance. It was applied to complement the analysis of the flow around the coaxial rotor.

La production des boues résiduaires au niveau de l’Union Européenne ne cesse d’augmenter et devient un défi sociétal majeur. Pour réduire les volumes et faciliter la réutilisation de la matière organique, le séchage thermique est l’une des opérations les plus couramment mises en œuvre dans les stations d’épuration de grande capacité. Cependant le procédé reste énergivore : maîtriser la facture énergétique implique de contrôler les paramètres opératoires, parmi lesquels le temps de séjour, et donc la vitesse d’écoulement dans le sécheur. Contrôler le temps de séjour implique donc de connaître l’évolution des propriétés rhéologiques des boues au cours du séchage. Or, la littérature scientifique s’est avérée très peu documentée sur la caractérisation rhéologique des boues fortement concentrées, principalement en raison de difficultés techniques rencontrées pour effectuer les mesures telles que les fractures et l’évaporation lorsque les boues sont chauffées. Pour tenir compte de ces phénomènes perturbateurs, nous avons développé deux procédures expérimentales compatibles avec tous les rhéomètres rotatifs conventionnels. La première procédure dont le principe est basé sur la détermination de la surface réellement cisaillée, permet de corriger l’impact des fractures sur une gamme de déformations allant de 0 à 200 %. La deuxième procédure a pour objectif de limiter efficacement l’évaporation de l’eau jusqu’à 80 °C pendant au moins 2 h d’expérience. De plus, au-dessus de la limite de plasticité SiP =43 %, la boue étudiée devient un matériau granulaire-divisé. L’utilisation d’un rhéomètre à poudres, basée sur le principe de Jenike et classiquement utilisé dans les milieux granulaires, a ainsi été validée pour les plus fortes concentrations, notamment par la comparaison avec un rhéomètre classique. Ensuite, l’impact de la concentration sur la nature du comportement rhéologique a été évalué. Nous montrons qu’il existe 4 différents régimes dans la gamme de siccité allant de 2 à 48 %. Pour des siccités inférieures à 6 %, la boue est définie comme une suspension très diluée et son comportement rhéologique est dominé par les forces visqueuses (interactions physico-chimique et/ou hydrodynamique). Lorsque la siccité est dans la gamme 14-43 %, la boue ressemble à un matériau pâteux/plastique dont le comportement est régi par des forces frictionnelles qui se manifestent par l’apparition de la dilatance. Dans la gamme intermédiaire de siccité, 6-14 %, le comportement rhéologique de la boue est gouverné par une compétition entre les forces visqueuses et les forces de frictionnelles. Au delà de 43 %, la boue déshydratée de consistance granulaire se comporte comme une poudre cohésive. Nous démontrons que la relation entre les paramètres de type solide (comme la contrainte seuil) et la siccité peut être modélisée par un modèle composé d’une loi de puissance et d’une loi d’Eilers. La première composante domine dans le régime visqueux, la deuxième dans le régime frictionnel et aucune des deux composantes n’est dominante dans le régime intermédiaire. L'ensemble de ces résultats nous permet de construire un diagramme rhéophysique qui relie le comportement rhéologique de la boue à sa consistance. / In EU, sludge production is increasing every year and is becoming a real challenge for the waste water treatment plants (WWTP). To reduce volumes and facilitate the reuse of organic matter, thermal drying is one of the most commonly used operations in large WWTP. Optimisation of the paddle dryer energy consumption can be obtained by an accurate control of the operating parameters, among which the residence time which is directly connected to the flow velocity in the dryer. Controlling the residence time implies the knowledge of the rheological parameters of sludge for total solid contents (TS) higher than 20 wt.% and their temperature dependency during drying. However, rheological measurements are difficult to perform at high TS as uncontrolled effects such as fractures and evaporation appear. Consequently, the obtained rheological measurements are not fully representative of a controlled state of the sludge.In this work, we show how to correct fractures impact with a well-controlled procedure allowing the exact determination of the surface really sheared in the range of strain 0-200 %, and so, of intrinsic rheological parameters. Moreover, we show how to control the evaporation of water at high temperatures, up to 80 °C, during at least 2 h of rheological measurements. These procedures are suitable for sludge having a pasty/plastic consistency and are compatible with any commercial rotational rheometer. Furthermore, above the plasticity limit TSP=43 wt.%, the studied sludge looks like a divided material that we characterize using a powder rheometer. The use of a powder rheometer, based on the Jenike principle and conventionally used in granular media, has been validated for the highest concentrations, in particular by means of a comparison with a conventional rheometer. Then, based on these procedures, the impact of concentration on the nature of sludge rheological behaviour has been investigated. We show the existence of 4 different regimes in the 2 48 wt.% TS range. Under 6 wt.% TS, the sludge is defined as a diluted suspension and the rheological behaviour is governed by viscous forces (physico-chemical and/or hydrodynamic interactions). When the TS content is higher than 14 but lower than 43 wt.%, the sludge looks like a pasty/plastic material and the behaviour is governed by frictional forces which manifested by the appearance of dilatancy. In the intermediate range of TS, that is 6-14 wt.%, the rheological behaviour is governed by a competition between viscous and frictional forces. Above 43 wt.%, the divided granular-like sludge behaves like a cohesive powder. We demonstrate that the relation between solid-like parameters (such as the yield stress) and the TS content can be modelled using a model combining a power and an Eilers laws. The power law dominates in the viscous regime, the Eilers law in the frictional regime and neither is dominant in the transitional regime. All of these results allowed us to propose a rheophysical scheme that links the rheological behaviour of the sludge to its consistency.

In More Electric Aircraft, different power system activities are attributed to electrical means such as the start-up of the main engine. In this context, the study of the sensorless control of the Brushless Synchronous Starter Generator (BSSG) that is used to electrically start the main engine is revealed to be a very interesting issue. For long time, the elimination of the mechanical sensor was highly recommended for reliability, cost, weight, integration issues.Hence, this work aims to transpose the results obtained in the research area to an avionic testbench. It presents an adaptive sensorless technique to use when electrically starting the main engine of the aircraft. This is achieved by elaborating three different methods selected depending on the speed of the machine and based on the :- injection of a high frequency signal- use of the back-emf of the Permanent Magnet Generator (PMG)- use of the extended Kalman Filter EKFIn this work, it is shown that the …first method gives good position estimation results from standstill up to 8% of the rated speed. Then, the back-emfs of the PMG are used to detect the position of the BSSG when the speed exceeds the 8% of the rated speed. Good results are observed with this method at medium and high speed.For redundancy reasons, the EKF was also used in this work. Thus, the estimated position can be delivered via two different estimation algorithms in medium and high speed region.The implementation of the algorithm was achieved on an FPGA board since the latter can ensure a very tiny execution time. The fastness of the treatment ensures quasi-instantaneous position estimation and does not practically introduce any phase lag in the position estimation. / Aujourd'hui, l'aviation est en train de vivre des évolutions technologiques concernant surtout l'attribution de différentes fonctionnalités aux équipements électriques et ceci au détriment d'équipements hydrauliques et mécaniques assurant les mêmes fonctionnalités.Dans le cadre de l'avion plus électrique, le démarrage électrique sans capteurs mécaniques de la turbine de l'avion préoccupe les avionneurs de nos jours. Les problèmes introduits par ce capteur ont été identifiés : problèmes de coût et de poids, problèmes de fiabilité et d'intégration.Ce travail présente alors une commande sans capteurs pour la machine synchrone à trois étages à utiliser durant le démarrage électrique de l'avion. Ceci est réalisé avec trois méthodes de détection de la position selon la vitesse de rotation, basées sur :- l'injection d'un signal à haute fréquence- l'utilisation d'un filtre de Kalman étendu FKE- les fém. du PMG (Permanent Magnet Generator) La première méthode donne de bons résultats d'estimation depuis l'arrêt jusqu'à 8% de la vitesse nominale de la machine. Au-delà de cette vitesse, es valeurs des fém. du PMG deviennent assez élevées pour être utilisées dans l'estimation de la position. De bons résultats sont obtenus à moyenne et haute vitesse.Pour des questions de redondance, le FKE est aussi utilisé. Ainsi, la position estimée peut être fournie par l'un des deux algorithmes à moyenne et haute vitesse.L'implémentation de ces algorithmes est réalisée via une carte FPGA étant donné que celui-ci garantit un temps d'exécution. La rapidité de traitement garantit une estimation de la position quasi-instantanée et donc n'introduit pratiquement pas des retards dans l'estimation.

Dans le cadre de la robotique mobile extérieure, les notions de perception et de localisation sont essentielles au fonctionnement autonome d'un véhicule. Les objectifs de ce travail de thèse sont multiples et mènent vers un but de localisation et de cartographie simultanée d'un environnement extérieur dynamique avec détection et suivi d'objet mobiles (SLAMMOT) à l'aide d'un unique capteur extéroceptif tournant de type radar dans des conditions de circulation dites "réalistes", c'est-à-dire à haute vitesse soit environ 30 km/h. Il est à noter qu'à de telles vitesses, les données acquises par un capteur tournant son corrompues par le déplacement propre du véhicule. Cette distorsion, habituellement considérée comme une perturbation, est analysée ici comme une source d'information. Cette étude vise également à évaluer les potentialités d'un capteur radar de type FMCW (onde continue modulée en fréquence) pour le fonctionnement d'un véhicule robotique autonome. Nous avons ainsi proposé différentes contributions : - une correction de la distorsion à la volée par capteurs proprioceptifs qui a conduit à une application de localisation et de cartographie simultanées (SLAM), - une méthode d'évaluation de résultats de SLAM basées segment, - une considération de la distorsion des données dans un but proprioceptif menant à une application SLAM, - un principe d'odométrie fondée sur les données Doppler propres au capteur radar, - une méthode de détection et de pistage d'objets mobiles : DATMO avec un unique radar.

Mes activités de recherche se sont centrées sur les procédés de transformation des polymères, essentiellement le procédé d'injection-moulage mais aussi le soufflage et maintenant la peinture. J'ai participé à plusieurs projets de recherche appliquée pluridisciplinaire donc à finalité industrielle. Dans ces projets ma contribution porte sur la modélisation du procédé, que ce soit par l'utilisation de code de calculs ou le développement de modèles numériques à l'aide de logiciels libres. L'originalité de mon travail réside dans la pluridisciplinarité des projets qui mêlent des aspects théoriques et numériques aux aspects expérimentaux; la science des polymères à la thermique, à la mécanique et à la rhéologie. Les modélisations s'appuient sur des mesures expérimentales qui sont, dans les procédés de transformation, particulièrement délicats à isoler et à interpréter. Ces dispositifs expérimentaux représentent une part considérable de l'effort de recherche dans ces projets. Durant ces travaux, j'ai tenté de répondre à des problématiques distinctes : Dans les procédés de plasturgie, la viscoélasticité est finalement assez absente. Lorsqu'elle se manifeste, c'est sous la forme de défauts (instabilités, recirculations) qu'il faut éviter. C'est pourquoi, la plupart des écoulements impliqués dans les procédés sont de type lubrification~: une dimension au moins est petite devant les autres; ce qui atténue de façon effective les effets viscoélastiques. Une illustration frappante en est donnée par les recirculations viscoélastiques créées par la courbure du chenal d'une vis : lorsque le rapport d'aspect de la section augmente, elles s'atténuent et se décalent vers les parois latérales, précisément là où dans la section, aucune dimension n'est petite devant l'autre. Seul le procédé d'extrusion soufflage s'appuie totalement sur les propriétés viscoélastiques du polymère en écoulement, au travers des phénomènes de gonflement et de fluage. Cet écoulement est particulièrement discriminant et doit permettre à terme de déterminer les paramètres matériels d'une loi viscoélastique intégrale en comparant les prédictions des simulation numériques (par le code FEM Polyflow ou la méthode des tubes de courant) aux mesures expérimentales du gonflement et de fluage, devenues réalisables désormais avec notre technique de visualisation par illumination laser. En ce qui concerne le phénomène de plastification dans les monovis d'injection, ce thème de recherche est celui qui a nécessité le plus d'efforts et c'est celui qui est le plus ardu. La difficulté première, celle des observations, est en passe d'être surmontée avec le fourreau à fenêtres qui permet une visualisation inégalée des phénomènes de plastification. Nous allons pouvoir reprendre et vérifier toutes les hypothèses usuelles de la plastification : accélération du lit solide, fonte contiguë ou dispersée, position et épaisseur des films fluides. En ce qui concerne la modélisation numérique du convoyage solide du polymère dans le chenal de la vis. Une autre problématique, très importante dans le domaine industriel de l'automobile ou de la cosmétique, concerne les défauts de surfaces des pièces plastiques injectées. De nombreux facteurs peuvent contribuer à l'apparition de tels défauts. Nous avons étudié les effets thermiques en montrant que même des revêtements métalliques extrêmement fins pouvaient avoir une influence thermique. Qu'en est-il de l'aspect dynamique de l'écoulement et du contact (tension de surface) polymère-métal ? Ce sujet est d'importance pour l'injection moulage classique mais aussi la micro-plasturgie. La simulation numérique de la projection de peinture représente une direction nouvelle de recherche, active en Europe, mais inédite en France, et pour laquelle nous sommes bien placés à l'insa-lyon avec la création récente d'une cabine de peinture pilote. Cela reste toujours de la mécanique des fluides et des polymères mais avec des outils différents (code volumes finis, OpenFOAM, StarCCM). Encore une fois, une analyse des phénomènes prépondérants, notamment dans l'aérodynamique et le champ électrostatique, associée à des mesures expérimentales, devraient aboutir à un modèle simplifié des trajectoires des gouttes et donc de la projection de peinture.

Le SLAM, « Simultaneous Localisation And Mapping », représente à l'heure actuelle l'une des principales thématiques investiguées dans le domaine des robots mobiles autonomes. Il permet, à l'aide de capteurs extéroceptifs (laser, caméra, radar, etc.) et proprioceptifs (odomètre, gyromètre, etc.), de trouver l'orientation et la localisation d'un robot dans un environnement extérieur vaste, inconnu ou modifié, avec la possibilité de créer une carte au fur et à mesure des déplacements du véhicule. Les travaux de thèse décrits dans ce manuscrit s'intègrent dans ce courant de recherche. Ils visent à développer un SLAM innovant qui utilise un radar à modulation de fréquence continue « FMCW » comme capteur extéroceptif. Ce capteur est insensible aux conditions climatiques et possède une portée de détection importante. Néanmoins, c'est un capteur tournant qui, dans une utilisation mobile, va fournir des données corrompues par le déplacement du véhicule. Pour mener à bien ces travaux, nous avons proposés différentes contributions : une correction de la distorsion par l'utilisation de capteurs proprioceptifs ; le développement d'une technique de localisation et cartographie simultanées nommée RS-SLAM-FMT qui effectue un scan matching sur les observations et utilise un algorithme estimatif de type EKF-SLAM ; l'utilisation, pour la première fois en SLAM, de la mise en correspondance par Transformée de Fourier-Mellin pour réaliser l'opération de scan matching ; la création d'un outil expérimental pour déterminer la matrice de covariance associée aux observations ; des tests de robustesse de l'algorithme dans des conditions d'utilisation réelles : dans des zones avec un faible nombre de points d'intérêts, sur des parcours effectués à vitesse élevée, dans des environnements péri-urbains avec une forte densité d'objets mobiles ; la réalisation d'une application temps réel pour le test du procédé sur un véhicule d'exploration qui se déplace dans un environnement extérieur vaste. / Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) is one of the main topics investigated in the field of autonomous mobile robots. It permits the Localization and mapping of a robot in a large outdoor environment, using exteroceptive (laser, camera, radar, etc.) and proprioceptive (odometer, gyroscope, etc.) sensors. The objective of this PhD thesis is to develop innovative SLAM that uses a radar frequency modulated continuous wave (FMCW) as an exteroceptive sensor. Microwave radar provides an alternative solution for environmental imaging and overcomes the shortcomings of laser, video and sonar sensors such as their high sensitivity to atmospheric conditions. However, data obtained with this rotating range sensor is adversely affected by the vehicle’s own movement. In order to efficiently manage the work, we propose : a correction, on-the-fly, of the rotating distortion with an algorithm that uses the proprioceptive sensors’ measurements ; development of a new technique for simultaneous localization and mapping named RS-SLAM-FMT ; for the first time in SLAM, the use of the Fourier-Mellin Transform provides an accurate and efficient way of computing the rigid transformation between consecutive scans ; creation of an experimental tool to determine the covariance matrix associated with the observations. It is based on an uncertainty analysis of a Fourier-Mellin image registration ; tests of the robustness of the SLAM algorithm in real-life conditions : in an environment containing a small number of points of interest, in real full speed driving conditions, in peri-urban environments with a high density of moving objects etc. ; creation and experiment of a real-time RS-SLAM-FMT implemented on a mobile exploration vehicle in an extensive outdoor environment.

Dans le cadre de la robotique mobile extérieure, les notions de perception et de localisation sont essentielles au fonctionnement autonome d’un véhicule. Les objectifs de ce travail de thèse sont multiples et mènent vers un but de localisation et de cartographie simultanée d’un environnement extérieur dynamique avec détection et suivi d’objet mobiles (SLAMMOT) à l’aide d’un unique capteur extéroceptif tournant de type radar dans des conditions de circulation dites "réalistes", c’est-à-dire à haute vitesse soit environ 30 km/h. Il est à noter qu’à de telles vitesses, les données acquises par un capteur tournant son corrompues par le déplacement propre du véhicule. Cette distorsion, habituellement considérée comme une perturbation, est analysée ici comme une source d’information. Cette étude vise également à évaluer les potentialités d’un capteur radar de type FMCW (onde continue modulée en fréquence) pour le fonctionnement d’un véhicule robotique autonome. Nous avons ainsi proposé différentes contributions : – une correction de la distorsion à la volée par capteurs proprioceptifs qui a conduit à une application de localisation et de cartographie simultanées (SLAM), – une méthode d’évaluation de résultats de SLAM basées segment, – une considération de la distorsion des données dans un but proprioceptif menant à une application SLAM, – un principe d’odométrie fondée sur les données Doppler propres au capteur radar, – une méthode de détection et de pistage d’objets mobiles : DATMO avec un unique radar. / In outdoor robotic context, notion of perception and localization is essential for an autonomous navigation of a mobile robot. The objectives of this PhD are multiple and tend to develop a simultaneous localization and mapping approach in a dynamic outdoor environment with detection and tracking of moving objects (SLAMMOT) with a unique exteroceptive radar sensor in real driving conditions, around 30 km/h. At such high speed, data obtained with a rotating range sensor are corrupted by the own vehicle displacement. This distortion, usually considered as a disturbance, is analyzed here as a source of information. This study explores radar frequency modulated continuous wave (FMCW) technology potential for mobile robotics in extended outdoor environment. In this work, we propose : – a distortion correction on-the-fly with proprioceptive sensors in order to realize a localization and mapping application (SLAM), – a line based SLAM evaluation method, – a consideration of distortion in a proprioceptive purpose for localization and mapping, – an odometry principle based on Doppler velocimetry provided by radar sensor, – a detection and tracking of mobile objects : DATMO, with a unique radar sensor.