Dans un contexte comme celui des technologies aérospatiales, qui se caractérise non seulement par sa complexité, mais aussi par sa difficulté à régler les erreurs une fois que le véhicule est dans son environnement final, l’utilisation des simulateurs de satellite sur Terre pour le développement et la vérification de nouveaux systèmes offre une alternative intéressante aux simulations traditionnelles par ordinateur. Plus précisément, dans le cas de la commande d’attitude, la possibilité d’utiliser la dynamique réelle du satellite pendant les phases de conception et de développement présente des avantages tels que l’inclusion des systèmes difficiles à modéliser et la réduction du risque d’erreur et du temps de vérification. Cependant, cette technologie est encore récente et est de ce fait sujette à être améliorée afin d’offrir le meilleur scénario possible pour le développement des algorithmes de commande d’attitude de la prochaine génération de satellites. À cet effet, l’Université de Sherbrooke et la société NGC Aérospatiale Ltée. développent en partenariat le simulateur matériel de satellite LABSAT qui possède toutes les fonctionnalités d’un véhicule spatial incluant les actionneurs, capteurs, calculateurs embarqués et éléments flexibles. Le projet présenté dans ce document consiste à concevoir et mettre en œuvre sur le minisatellite LABSAT un premier système de navigation et commande permettant d’exécuter les manœuvres en orientation à partir d’une station de contrôle. À cette fin, les différents sous-systèmes du simulateur matériel ont été intégrés et des solutions en termes de calibration de capteurs, d’estimateur d’état et de systèmes de commande ont été analysées théoriquement et en simulation. Les techniques les plus appropriées ont été, par la suite, implémentées et évaluées sur le système final, dans le but de vérifier leur fonctionnement dans l’environnement réel.

Les réseaux de véhicules sont une technologie émergente intégrant les dernières techniques de communication. Sans infrastructure, le réseau est un réseau dit ad hoc, un protocole de routage doit donc être utilisé pour assurer les communications inter-véhiculaires. Nous appelons ce type de réseau, un réseau ad hoc de véhicules. Nos travaux s'articulent autour de deux axes : le passage à l'échelle et la gestion de la mobilité dans un contexte autoroutier. Pour cela, nous avons proposé une extension du protocole de routage ad hoc DSR pour les réseaux ad hoc hybride (comportant une infrastructure fixe). Des simulations à l'aide de JiST/SWANS ont montré une amélioration des performances en terme de passage à l'échelle, connectivité et capacité du réseau. Nous avons également établi un modèle analytique pour comparer le passage à l'échelle de deux classes de protocoles de routage : réactif et géographique. Nous concluons que l'utilisation d'un protocole géographique et ses optimisations améliore de manière significative le passage à l'échelle. Enfin, nous proposons un algorithme répartie de formation de convois de véhicules afin d'améliorer la gestion de la mobilité dans un contexte de réseau ad hoc hybride de véhicules sur autoroute. Nous avons évalué cet algorithme à l'aide de simulations et conclu à une bonne qualité de formation des convois.

Ce travail de thèse constitue une première étape vers l'élaboration d'un simulateur cellulaire destiné aux biologistes. Nous proposons une approche dynamique en trois dimensions pour la modélisation de systèmes biologiques en combinant des mécanismes d'origine diverse (élasticité cellulaire, dynamique du cytosquelette, réactions chimiques) à différentes échelles de temps (de la seconde à la minute) et d'espace (depuis l'intérieur de la cellule jusqu'à une population de cellules). Une relation explicite est ainsi établie entre les réactions chimiques hébergées par la cellule et la dynamique de son mouvement tout en considérant les signaux extracellulaires. Nous nous intéressons également aux lois d'interaction entre objets biologiques et nous attachons à décrire différents types de contacts (cellule-cellule, cellule-substrat), leur évolution dynamique (glissement, roulement) et les conséquences sur l'architecture de la cellule ou du tissu.

La formation aux gestes en obstétrique réalisée directement auprès du patient pose des problèmes éthiques et médico-légaux. C'est pourquoi une grande partie de cette formation repose sur l'observation in-situ. Cette approche ne permet pas de prendre en charge l'ensemble des dimensions nécessaires à la formation telles que l'extraction instrumentale, l'acquisition d'un niveau de dextérité suffisant ou encore la capacité de prise de décision face à une situation à risque.Les systèmes d'entrainement par simulation consituent une réponse à ce problème de formation. Toutefois, les simulateurs haptiques actuels ne permettent qu'une évaluation qualitative du geste obstétrique et ne fournissent pas d'informations quantitatives sur les efforts subis par les différents organes pelviens. Ces informations quantitatives ne sont accessibles que par des simulation biomécaniques de la descente fœtale. Par contre, pour pouvoir être utilisées conjointement avec un simulateur haptique dans un but d'apprentissage, ces simulations doivent être interactives.Dans ce manuscrit, nous proposons tout d'abord un état de l'art des différents modèles biomécaniques existants permettant de modéliser les organes pelviens et la descente fœtale. Après avoir identifié la tête foetale comme la structure la plus susceptible de subir des dommages importants lors de l'accouchement, nous présentons un modèle de la tête foetale basé sur des éléments finis de coque CST-DKT que nous étendons avec un formulation co-rotationelle et une contrainte de volume permettant de prendre en compte la matière intra-crânienne. Une implémentation GPU de ce modèle est proposée pour permettre des simulations interactives. Ce modèle est validé sur une simulation de la pression intra-utérine subie par la tête fœtale lors de la deuxième phase de l'accouchement. Enfin, nous proposons une ébauche de modèle complet pour la simulation interactive de la descente fœtale. / The training to obstetrical gestures performed directly on the patient raise ethical and medico-legal problems. That is why most of the formation is based on in-situ observations. This approach can not handle all the necessary dimensions to the formation such as instrumental extraction, a good level of dexterity or the capacity to take decision in high risk situations.Simulation based training systems can address this formation problems. Neverteless, today's haptic simulators don't provide quantitative informations about the efforts undergone by pelvic organs. This informations are available only through biomechanical simulations of the foetal descent. To be used in conjunction with an haptic simulator, such simulations must be interactive.In this manuscript, first we propose a state of the art of the existing biomechanical models allowing to model the pelvic organs. After having identified the foetal head as the structure that can potentially undergo important damages during childbirth, we present a model of the foetal head based on shell finite elements CST-DKT that we extend to a co-rotationnal formulation and a volume constraint allowing to take in count the intra-cranial matter. A GPU implementation of this model is also porposed to allow interactive simulations. This model is validated on a simulation of intra-uterine pressure undergone by the foetal head during the second phase of childbirth. Finally, we propose a draft of a complete model intended to simulate interactively the feotal descent.

Le développement rapide des nouvelles technologies numériques est en passe de révolutionner l’enseignement classique de l’odontologie comme dans de nombreuses spécialités médicales. En effet, l’avènement de nouveaux dispositifs alliant réalité virtuelle et dispositif haptique permettant de simuler au plus juste les gestes techniques de l’odontologie, laisse entrevoir la possibilité d’évaluer plus objectivement les compétences des futurs Chirurgiens-Dentistes et de renforcer la formation traditionnelle. Au travers de différentes expérimentations pédagogiques dans les domaines de l’implantologie, de la dentisterie restauratrice et de la chirurgie orale, nous avons voulu : (i) évaluer l’impact de la simulation haptique sur la formation en odontologie en nous focalisant sur l’implantologie et la dentisterie restauratrice ; (ii) définir de nouveaux paramètres pédagogiques pour essayer de les évaluer objectivement et estimer l’importance de la vision 3D en simulation / The rapid development of new digital technologies is revolutionizing the classical teaching of dentistry as in many medical specialties. Indeed, the advent of new devices combining virtual reality with a haptic device allowing to simulate the technical gestures of odontology, suggests the possibility to evaluate the skills of future Dentists more objectively and to strengthen traditional training. Through various educational experiments in the fields of implantology, restorative dentistry and oral surgery, we wanted to: (i) assess the impact of haptic simulation on odontology training by focusing on implantology and restorative dentistry ; (ii) define new objectively evaluable pedagogical parameters and to estimate the importance of 3D vision in simulation

Depuis quelques temps, les physiciens théoriciens de la matière condensée sont confrontés à un problème majeur : la puissance de calcul nécessaire pour simuler numériquement et étudier certains systèmes à N corps est insuffisante. Comme le contrôle et l’utilisation des systèmes d’atomes ultra-froids se sont développés de manière importante,principalement durant les deux dernières décennies, nous sommes peut-être en mesure d eproposer une solution alternative : utiliser des atomes ultra-froids piégés dans des réseaux optiques en tant que simulateur quantique. En effet, la physique des électrons se déplaçant sur la structure cristalline d’un solide, ainsi que celle des atomes piégés dans des réseaux optiques, sont toutes les deux décrites par le même modèle de Fermi-Hubbard, qui est une présentation simplifiée du comportement des fermions sur un réseau périodique. Les simulateurs quantiques peuvent donc simuler des propriétés électriques des matériaux, telle sque la conductivité ou le comportement isolant, et potentiellement aussi des propriété smagnétiques telles que l’ordre antiferromagnétique.L’expérience AUFRONS, sur laquelle j’ai travaillé pendant mon doctorat, a pour but d’étudie rla physique des fermions fortement corrélés, avec un simulateur quantique basé sur l’utilisation d’atomes ultra-froids de rubidium 87 et de potassium 40, piégés dans le potentiel nanostructuré des réseaux optiques bidimensionnels, générés en champ proche. Pour détecter la distribution atomique à d’aussi courtes distances, nous avons développé une technique d’imagerie novatrice, qui nous permettra de contourner la limite de diffraction. Une fois terminé, notre système d’imagerie pourrait potentiellement détecter et identifier des sites individuels du réseau optique sub-longueur d’onde.Dans ce manuscrit, je décris le travail que j’ai effectué pour construire l’expérience AUFRONS,ainsi que l’étude de faisabilité que j’ai réalisée pour la technique d’imagerie à super-résolution. / For some time now, theoretical physicists in condensed matter face a majorproblem: the computing power needed to numerically simulate and study some interactingmany-body systems is insufficient. As the control and use of ultracold atomic systems hasexperimented a significant development in recent years, an alternative to this problem is to usecold atoms trapped in optical lattices as a quantum simulator. Indeed, the physics of electronsmoving on a crystalline structure of a solid, and the one of trapped atoms in optical lattices areboth described by the same model, the Fermi-Hubbard model, which is a simplifiedrepresentation of fermions moving on a periodic lattice. The quantum simulators can thusreproduce the electrical properties of materials such as conductivity or insulating behavior, andpotentially also the magnetic ones such as antiferromagnetism.The AUFRONS experiment, in which I worked during my PhD, aims at building a quantumsimulator based on cooled atoms of 87Rb and 40K trapped in near field nanostructured opticalpotentials. In order to detect the atom distribution at such small distances, we have developedan innovative imaging technique for getting around the diffraction limit. This imaging systemcould potentially allow us to detect single-site trapped atoms in a sub-wavelength lattice.In this thesis, I introduce the work I have done for building the AUFRONS experiment, as wellas the feasability study that I did for the super-resolution imaging technique.

La représentation symbolique des masques de circuits intégrés est connue depuis environ quinze ans, mais n'est développée que depuis quelques années. Presque tous les systèmes de CAO développés récemment font usage d'une représentation symbolique des masques de circuits afin de simplifier la conception. Dans cette thèse, un système symbolique hiérarchique de dessin des masques est décrit. Un langage de description et un environnement graphique sont présentés. L'environnement graphique est utilise pour l'édition de cellules et de blocs, hiérarchiquement. Le langage textuel peut être considéré comme le langage cible de tous les outils de synthèse ou de compilation qui sont développés dans le cadre d'un système intégré de CAO VLSI. Une représentation métrique des circuits est donnée, et un "assembleur de silicium" qui permet le dessin hiérarchique de cellules fonctionnelles en accord avec les structures d'interconnexions de base, est décrit. Par un programme Lisp le concepteur définit comment les cellules feuilles doivent être assemblées pour réaliser la fonction désirée. Ainsi des cellules fonctionnelles peuvent être générées, avec une représentation symbolique et une fonctionnalité déterminée.

Le projet CASCADE a pour objet l'étude et le développement d'un système intégré de CAO pour les circuits et systèmes logiques. Ce système comprend en particulier, et c'est le contexte de ce travail, un simulateur basé sur un langage de description multi-niveaux. Nous présentons d'abord une partie du travail réalisé : les mécanismes d'ordonnancement statique qui facilitent le séquencement de la simulation. Puis nous expliquons les mécanismes de simulations permettant de simuler un modèle hiérarchisé à l'aide de différents «modes de simulation». Ces mécanismes sont la base du simulateur multi-modes actuellement en fonctionnement au laboratoire ARTEMIS

L'introduction des nouveaux moyens de transformation de l'énergie primaire et des nouvelles sources d'énergie renouvelables dans les réseaux de distribution entraîne l'apparition de phénomènes nouveaux qu'il est nécessaire d'étudier en détail. Le recours à la modélisation de ces nouvelles sources est nécessaire afin de permettre la simulation de leur fonctionnement. Les modélisations simplifiées utilisées dans les logiciels grands réseaux sont d'abord présentées à la lumière de l'outil Graphe Informationnel de Causalité. Cette démarche de simplification de modèles est poursuivie pour les nouveaux dispositifs de production à connexion électronique au réseau électrique. Une approche générique de modélisation et de commande des sources distribuées de production d'énergie électrique est ensuite proposée. Nous proposons une classification des sources de production décentralisées connectées aux réseaux BT en sources ynamiques caractérisées par une cinématique de transmission dans la génération de puissance et sources statiques caractérisées par l'absence de mouvement mécanique dans la génération de puissance. Dans un cas comme dans l'autre, nous présentons une approche générale de modélisation de ces sources basées sur des considérations d'échanges énergétiques afin d'en déduire les principes fondamentaux de commande. Cette approche est ensuite illustrée sur l'exemple d'une microturbine à gaz, des systèmes à piles à combustible ainsi que des systèmes photovoltaïques. Dans la partie finale de cette thèse, nous proposons deux exemples d'application d'étude de dynamique de réseaux. Le premier traite de la problématique de la régulation de la tension au point de connexion d'une source de production décentralisée. Les principaux moyens de réglage de la tension utilisés dans les réseaux de distribution sont répertoriés. On s'intéresse au réglage de la tension par le contrôle de la puissance réactive d'abord, puis, lorsque c'est nécessaire, par la limitation de la puissance active des sources de production décentralisée. Un algorithme optimisé de réglage de la tension pour les systèmes de production décentralisée est élaboré et testé en simulation. Le deuxième exemple d'application porte sur l'étude d'une source de production décentralisée (une micro turbine) connectée au réseau de distribution Basse Tension. Cette simulation est implantée sur un simulateur temps réel (Hypersim) de réseau sur lequel la source est connectée ce qui permet le test en temps réel sur de loi de commande externe au simulateur. Une étude du comportement en cas de court-circuit est proposée.

Ce travail de thèse avait pour but d'étudier, par des simulations numériques, la validité d'une nouvelle approche pour réaliser des dispositifs électroniques ultimes. Ceux-ci doivent permettre de contrôler le transport des électrons un à un; il faut alors une tension de seuil reste élevée même à température ambiante. La fabrication de transistors à un électron (SET) construits autour d'un seul plot et répondant à cette contrainte, pose de nombreux problèmes. C'est pourquoi nous avons choisi d'étudier des petits réseaux de plots métalliques nanométriques déposés sur un isolant, et placés entre des électrodes, en collaboration étroite avec un laboratoire expérimental qui avait fait le même choix. Dans ces conditions, les réseaux de plots obtenus présentent un important désordre géométrique pris en compte à travers les distances inter-plots. Dans un premier temps, nous avons réalisé un simulateur de type Monte Carlo, validé grâce aux données expérimentales, capable de reproduire le transport dans les dispositifs étudiés. Cela a nécessité la modélisation réaliste des résistances tunnel et des capacités des jonctions inter-plots, de façon à inclure explicitement le désordre. Dans un second temps, nous avons étudié l'effet de ce dernier sur les caractéristiques électriques des dispositifs considérés. Le résultat majeur concerne la dispersion de la tension de seuil qui reste faible à basse température, mais devient rapidement catastrophique dans la zone de température intéressante pour les applications. Dans le but de réduire la dispersion à haute température, nous avons proposé et testé numériquement une solution réaliste permettant de la ramener à des valeurs de seuils tolérables en VLSI.