Les simulateurs d'accouchement sont des outils dédiés à la formation du personnel médical en gynécologie obstétrique. Le BirthSIM développé au laboratoire Ampère constitue une interface haptique de simulateur d'accouchement permettant de reproduire divers scénarios d'accouchement et de former les jeunes sages-femmes et obstétriciens aux différents gestes techniques nécessaires dans le cadre de leurs professions. Dans ce manuscrit, les récentes améliorations apportées au prototype du BirthSIM seront présentées. Parmi ces améliorations, deux sont particulièrement remarquables. La première concerne l'augmentation du nombre de degrés de liberté pilotés de l'interface. Ainsi, les travaux ayant permis le passage d'une interface ne comptant qu'un seul degré de liberté à quatre seront détaillés. Le BirthSIM est le seul simulateur d'accouchement qui intègre à la fois des actionneurs électriques et pneumatiques. La seconde évolution concerne le développement de lois de commande permettant d'améliorer le rendu haptique de l'interface. Les lois de commande retenues permettent d'asservir en position le BirthSIM, mais également de régler la raideur de l'interface. Ce réglage de raideur en coordonnées cartésiennes a pour objectif de reproduire le comportement de la tête fœtale en contact avec les tissus mous du bassin au cours d'une contraction. La loi de commande présentée dans ces travaux de thèse est une loi de commande non-linéaire synthétisée par backstepping. En effet, cette méthode permet de prendre en compte les phénomènes non-linéaires agissant sur le comportement des actionneurs pneumatiques. Cette commande, assurant le suivi d'une consigne de position et une modification de la raideur en temps réel à partir d'une stratégie de réglage de gain, a été testée à la fois en simulation et sur le prototype du BirthSIM. Les performances de cette commande sont également comparées à celles de lois de commande plus classiquement utilisées en robotique. / The childbirth simulators are developed for practitioner training in gynecology and obstetrics. The BirthSIM is a haptic interface which simulates various childbirth scenarios to teach obstetricians and midwives the technical delivery gestures. In this work, the latest improvements on the BirthSIM prototype will be presented. Two improvements are especially detailed. The first one consists in adding actuated degrees of freedom to the haptic interface. Thus, the works which have led to a new four degrees of freedom robot are presented. The BirthSIM is the only childbirth simulator which is actuated by electrical and pneumatic actuators. The aim of the second improvement is to synthesize control laws which improve the haptic rendering. The studied control laws allow the haptic interface to be controlled in position and its stiffness to be tuned in real time. This cartesian stiffness tuning is suitable to reproduce the behavior of the fetal head surrounded by the maternal pelvic muscles. The control law presented in this document have been obtained by the non-linear backstepping synthesis. Indeed, the non-linear phenomenons occurring in pneumatic cylinders can be taken into account by this method. The controller obtained in this work allows the BirthSIM end-effector to track a reference position but also allows the robot stiffness to be tuned in real time. The stiffness control is based on a gain tuning strategy. Finally, the performances have been evaluated in simulation and experimental tests. Those performances have also been compared to the other conventional compliant controllers of the robotic field.

Les simulateurs de conduite permettent d’étudier le comportement humain dans différentes conditions fixées expérimentalement. Un avantage majeur de la simulation est de ne pas exposer le sujet à un risque objectif et que les conditions de test sont "facilement" mises en œuvre et manipulées. Le recours à la simulation pose néanmoins la question de la généralisation et transposition des comportements observés en simulation à la situation réelle de conduite. En effet, il est nécessaire de s’assurer que le simulateur mesure précisément l’objet d’étude sans le modifier ou l’influencer. L’évaluation du degré de validité est donc cruciale dans toute étude sur simulateur qui cherche à susciter des comportements réalistes de conducteurs. Le postulat de notre travail repose donc sur l’idée que la présence est un concept clé pour évaluer la représentativité des comportements de conduite observés en simulation. Toutefois plusieurs difficultés seront à résoudre. Une des plus cruciales repose sur le fait que la présence est difficilement mesurable en temps réel puisque le fait même de chercher à la mesurer peut rompre l’état de présence plus ou moins existant. Ainsi obtenir des indicateurs comportementaux de la présence constitue un véritable enjeu pour caractériser la nature d’un phénomène qui à l’heure actuelle est davantage fantasmé à l’aide de mesures post-expérimentation que concrètement démontré par la mise en évidence de comportements spécifiques reproductibles. / Driving simulators make it possible to study human behavior in different experimentally determined conditions. A major benefit of simulation is that it does not expose the subject to an objective risk and that test conditions are "easily" implemented and manipulated. The use of simulation nevertheless raises the question of the generalization and transposition of the behaviors observed in simulation to the actual driving situation. Indeed, it is necessary to ensure that the simulator accurately measures the object of study without modifying or influencing it. Assessing the degree of validity is therefore crucial in any simulator study that seeks to create realistic driver behaviors. The postulate of our work is therefore based on the idea that presence is a key concept for assessing the representativeness of driving behaviors observed in simulation. However, several difficulties will have to be solved. One of the most crucial is the fact that presence is difficult to measure in real time because the very fact of trying to measure it can break the more or less existing presence state. Thus, to obtain behavioral indicators of presence is a real challenge to characterize the nature of a phenomenon which at present is more fantasized by post-experimental measures than concretely demonstrated by the demonstration of specific reproducible behaviors.

Les environnements virtuels, et en particulier les simulateurs de conduite à plate-forme dynamique, posent la délicate question de la restitution multisensorielle en vue de générer la bonne "illusion" pour leurs utilisateurs. Si la réalité virtuelle est reconnue pour la limitation des coûts, le gain temporel et la contrôlabilité et reproductibilité des situations étudiées, la problématique de la validité de ces outils de recherche (ou de formation) est cruciale pour la transférabilité des connaissances produites.Constituant une première étape dans le processus de validation du simulateur IFSTTAR, ce travail s’appuie sur une démarche originale reposant sur une double évaluation, par élément et globale. Il s’agit (i) de configurer de manière optimale les caractéristiques immersives et interactives du simulateur liées au mouvement de roulis afin de produire une illusion d’inclinaison crédible et acceptée, et (ii) d’évaluer, de manière globale, différentes configurations du simulateur (modèles dynamiques de véhicule) au moyen de mesures objectives (temps de familiarisation) et subjectives (présence, mal du simulateur).Prises dans leur ensemble, les sept études menées durant cette thèse ont permis de valider une plage de restitution du mouvement de roulis pertinente pour produire une sensation d’inclinaison sans entraîner de déséquilibre critique ou de sensation de chute. Un angle d’inclinaison du simulateur au-delà de 11,4 degrés est ainsi déconseillé pour éviter toute sensation de chute, néanmoins cette valeur est susceptible d’être influencée par divers facteurs (e.g., présence d’informations visuelles, positionnement de l’axe de roulis). Ces études ont également permis d’identifier, en conduite passive, les paramètres nécessaires ainsi que les contributions relatives des informations visuelle et inertielle pour la production d’une sensation d’inclinaison crédible. En conduite active, l’évaluation du degré de contrôle des participants en fonction du modèle dynamique de véhicule (virtuel) a permis de pointer les faiblesses actuelles du simulateur IFSTTAR afin de proposer plusieurs pistes de développement. / Virtual environments, and specifically motion-based driving simulators, raise the delicate question of multisensory cueing in order to produce the good "illusion" to the users. If virtual reality is well acknowledged for cost limitation, validity issue of these research (or training) tools is critical for knowledge transfer of new results.As a first step in the validation process of the IFSTTAR motorcycle simulator, this work relies upon an original design based on a double approach : by element and global. It consists in (i) optimal balancing of simulator’s immersive and interactive characteristics linked to roll motion so as to yield a believable and embraced leaning illusion, and (ii) evaluating more generally different simulator configurations (vehicle dynamic models) through objective (training length) and subjective measures (presence, simulator sickness).Taken as a whole, the seven studies conducted during this thesis enable the validation of the relevant range of roll motion cueing to produce a leaning sensation without leading to a critical unbalance or fall sensation. A leaning angle of the simulator beyond 11.4 degrees is not recommended to avoid any fall sensation, however this figure can be influenced by various factors (e.g., visual informations, roll axis location). These studies also allow to identify, in passive driving situations, the necessary parameters as well as the relative contribution of visual and inertial informations for the production of a believable leaning sensation. In an active driving situation, the evaluation of the degree of users control through different (virtual) vehicles dynamic models has permitted to highlight the weaknesses of IFSTTAR simulator in order to set several guidelines for further development.

Dans cette thèse nous abordons des aspects topologiques de la matière condensée. Les états topologiques sont insensibles à un large spectre des perturbations externes et au désordre – une propriété indispensable dans le domaine d'information quantique. L’effet des interactions dans des systèmes topologiques est pourtant loin d’être bien maîtrisé à ce jour. Dans ce travail, nous étudions la corrélation entre la description topologique et l'effet des interactions. Afin d'accomplir notre but, nous utilisons des méthodes analytiques et numériques. Nous nous intéressons aussi à des sondes expérimentales qui peuvent être utilisées pour vérifier nos prédictions théoriques. Tout d’abord, nous étudions la version bosonique en interactions du modèle de Haldane – le modèle célèbre qui décrit l’effet Hall anomal. Nous proposons son implémentation expérimentale dans des circuits quantiques, basée sur l’application de perturbation périodique dépendantes du temps – méthodologie qui s’appelle l’ingénierie de Floquet. En poursuivant ces idées, nous étudions la version bosonique du modèle de Kane-Mele d’un isolant topologique. Ce modèle possède un diagramme de phase très riche. En particulier, lorsque les interactions sont fortes, nous observons l’apparition d’un modèle de magnétisme frustrée présentant une variété d'états exotiques. La mise en œuvre de ces modèles dans des réseaux d'atomes ultra-froids ou des circuits quantiques permettra de sonder expérimentalement les propriétés exotiques que nous avons observées. Ensuite, nous abordons d’une manière plus détaillée la réalisation expérimentale des modèles topologiques dans des circuits quantiques, en considérant le cas particulier du modèle de Su-Schrieffer-Heeger en couplage fort. Nous testons aussi des nouvelles sondes qui peuvent être utilisées afin de mesurer la phase de Zak et en déduire la topologie du système. Finalement, nous nous intéressons aux sondes hors d’équilibre et des méthodes pour tester les propriétés spectrales de systèmes quantiques, en utilisant l’approche de purification, pertinent pour le numérique et les expériences. / In this thesis we study the topological aspects of condensed matter physics, that received a revolutionary development in the last decades. Topological states of matter are protected against perturbations and disorder, making them very promising in the context of quantum information. The interplay between topology and interactions in such systems is however far from being well understood, while the experimental realization is challenging. Thus, in this work we investigate analytically such strongly correlated states of matter and explore new protocols to probe experimentally their properties. In order to do this, we use various analytical and numerical techniques. First, we analyze the properties of an interacting bosonic version of the celebrated Haldane model – the model for the quantum anomalous Hall effect. We propose its quantum circuit implementation based on the application of periodic time-dependent perturbations – Floquet engineering. Continuing these ideas, we study the interacting bosonic version of the Kane-Mele model – the first model of a topological insulator. This model has a very rich phase diagram with an emergence of an effective frustrated magnetic model and a variety of symmetry broken spin states in the strongly interacting regime. Ultra-cold atoms or quantum circuits implementation of both Haldane and Kane-Mele bosonic models would allow for experimental probes of the exotic states we observed. Second, in order to deepen the perspectives of quantum circuit simulations of topological phases we analyze the strong coupling limit of the Su-Schrieffer-Heeger model and we test new experimental probes of its topology associated with the Zak phase. We also work on the out-of-equilibrium protocols to study bulk spectral properties of quantum systems and quantum phase transitions using a purification scheme which could be implemented both numerically and experimentally.

L’objectif de ce travail de Thèse est d’évaluer les capacités de composants numérique de type Système-sur-Puce (SoC en anglais) pour l’implantation de Simulateurs Temps Réel Embarqués (ERTS en anglais) de systèmes électromécaniques et d’électronique de puissance. En effet, l’utilisation de ces simulateurs n’est pas seulement limitée aux validations matériel dans la boucle (en anglais Hardware-in-the-Loop ou HIL) du système mais doivent également être embarqués avec le contrôleur afin d’assurer plusieurs fonctionnalités additionnelles comme l'observation, l'estimation, commande sans capteur (ou sensorless), le diagnostic ou la surveillance de la santé, commande tolérante aux défauts, etc.La réalisation de ces simulateurs doit néanmoins considérer plusieurs contraintes à plusieurs niveaux de développement : durant la modélisation de la partie du système à simuler en temps-réel, durant la réalisation numérique et enfin durant l’implantation sur le composant numérique utilisé. Ainsi, le travail réalisé durant cette Thèse s’est focalisé sur ce dernier niveau et l’objectif était d’évaluer les capacités temps/ressources des composants de type SoC pour l’implantation de modules ERTS. Ce type de plateformes intègrent dans un même composant de puissants processeurs, un circuit logique programmable (de type Field-Programmable Gate Array ou FPGA), et d’autres périphériques, ce qui offre plusieurs opportunités d’implantation.Afin de pallier les limitations liées au codage VHDL de la partie FPGA, il existe des outils High-Level Synthesis (HLS) qui permettent de programmer ces dispositifs en utilisant des langages à haut niveau d'abstraction comme C, C++ ou SystemC. De plus, en incluant des directives et contraintes au code source, ces outils peuvent produire des implémentations matérielles différentes (architecture totalement combinatoire, « pipeline », architecture parallélisées ou factorisées, arranger les données et leurs formats pour une meilleure utilisation des ressources de mémoire, etc.).Dans le but d’évaluer ces différentes implantations, deux cas d’études ont été choisis : le premier se compose d’un Générateur Asynchrone à Double Alimentation (GADA) et le second d’un Convertisseur Modulaire Multiniveau (ou Modular Multi-level Converter - MMC). Vu que la GADA a une dynamique basse/moyenne (dynamiques électriques et mécaniques), deux versions d’implantations ont été évaluées : (i) une implantation full-software en utilisant seulement les processeurs ARM; et (ii) une implantation full-hardware en utilisant l’outil HLS pour programmer la partie FPGA. Ces deux versions ont été évaluées avec différentes optimisations du compilateur et trois formats de données: 64/32-bit en virgule flottante, et 32-bit en virgule flottante. L’approche mixe software/hardware a également été évaluée à travers la caractérisation des transferts de données entre le processeur et l’IP ERTS implantée dans la partie FPGA. Quant au convertisseur MMC, sa complexité et sa forte dynamique (dynamique de commutation) impose une implantation exclusivement full-hardware. Celle-ci a également été réalisée à base d’outils HLS.Enfin pour la validation expérimentale de ce travail de Thèse, une maquette à base de convertisseur MMC a été construite dans le but de comparer des mesures du système réel avec les résultats fournis par l’IP ERTS. / This Doctoral Thesis is a detailed study of how suitable System-on-Chip (SoC) devices are for implementing Embedded Real-Time Simulators (ERTS) of electromechanical and power electronic systems. This emerging class of Real-Time Simulators (RTS) are not only expected for Hardware-in-the-Loop (HIL) validations of systems; but they also have to be embedded within the controller to play several roles like observers, parameter estimation, diagnostic, health monitoring, fault-tolerant and sensorless control, etc.The design of these Intellectual Properties (IP) must rigorously consider a set of constraints at different development stages: (i) during the modeling of the system to be real-time simulated; (ii) during the digital realization of the IP; and also (iii) during its final implementation in the digital platform. Thus, the conducted work of this Thesis focuses specially on this last stage and its aim is to evaluate the time/resource performances of recent SoC devices and study how suitable they are for implementing ERTSs. These kind of digital platforms combine powerful general purpose processors, a Field-Programmable Gate Array (FPGA) and other peripherals which make them very convenient for controlling and monitoring a complete system.One of the limitations of these devices is that control engineers are not particularly familiarized with FPGA programming, which needs extensive expertise in order to code these highly sophisticated algorithms using Hardware Description Languages (HDL). Notwithstanding, there exist High-Level Synthesis (HLS) tools which allow to program these devices using more generic programming languages such as C, C++ or SystemC. Moreover, by inserting directives and constraints to the source code, these tools can produce different hardware implementations (e.g. full-combinatorial design, pipelined design, parallel or factorized design, partition or arrange data for a better utilisation of memory resources, etc.).This dissertation is based on the implementation of two representative applications that are well known in our laboratory: a Doubly-fed Induction Generator (DFIG) commonly used as wind turbines; and a Modular Multi-level Converter (MMC) that can be arranged in different configurations and utilized for many different energy conversion purposes. Since the DFIG has low/medium system dynamics (electrical and mechanical ones), both a full-software implementation using solely the ARM processor and a full-hardware implementation using HLS to program the FPGA will be evaluated with different design optimizations and data formats (64/32-bit floating-point and 32-bit fixed-point). Moreover, it will also be investigated whether a system of these characteristics is interesting to be run as a hardware accelerator. Different data transfer options between the Processor System (PS) and the Programmable Logic (PL) have been studied as well for this matter. Conversely, because of its harsh dynamics (switching dynamics), the MMC will be implemented only with a full-hardware approach using HLS tools, as well.For the experimental validation of this Thesis work, a complete MMC test bench has been built from scratch in order to compare the real-world results with its SoC ERTS implementation.

L’objectif de ce travail est de développer un cadre méthodologique et générique d’éco-conception de procédés chimiques couplant des outils de modélisation et de simulation traditionnels de procédés (HYSYS, COCO, ProSimPlus et Ariane), d’Analyse du Cycle de Vie (ACV), d’optimisation multiobjectif basée sur des Algorithmes Génétiques et enfin des outils d’aide à la décision multicritère (ELECTRE, PROMETHEE, M-TOPSIS). Il s’agit de généraliser, d’automatiser et d’optimiser l’évaluation des impacts environnementaux au stade préliminaire de la conception d’un procédé chimique. L’approche comprend trois étapes principales. Les deux premières correspondent d’une part aux phases d’analyse de l’inventaire par calcul des bilans de matière et d’énergie et d’autre part à l’évaluation environnementale par ACV. Le problème du manque d’information ou de l’imprécision dans les bases de données classiques en ACV pour la production d’énergie notamment sous forme de vapeur largement utilisée dans les procédés a reçu une attention particulière. Une solution proposée consiste à utiliser un simulateur de procédés de production d’utilités (Ariane, ProSim SA) pour contribuer à alimenter la base de données environnementale en tenant compte de variations sur les conditions opératoires ou sur les technologies utilisées. Des sous-modules « énergie » sont ainsi proposés pour calculer les émissions relatives aux impacts liés à l’utilisation de l’énergie dans les procédés. La troisième étape réalise l’interaction entre les deux premières phases et l’optimisation multi-objectif qui met en jeu des critères économiques et environnementaux. Elle conduit à des solutions de compromis le long du front de Pareto à partir desquelles les meilleures sont choisies à l’aide de méthodes d’aide à la décision. L’approche est appliquée à des procédés de production continus : production de benzène par hydrodéalkylation du toluène HDA et production de biodiesel à partir d’huiles végétales. Une stratégie à plusieurs niveaux est mise en oeuvre pour l'analyse de l'optimisation multi-objectif. Elle est utilisée dans les deux cas d'étude afin d'analyser les comportements antagonistes des critères. / The objective of this work is to propose an integrated and generic framework for eco-design coupling traditional modelling and flowsheeting simulation tools (HYSYS, COCO, ProSimPlus and Ariane), Life Cycle Assessment, multi-objective optimization based on Genetic Algorithms and multiple criteria decision-making methods MCDM (Multiple Choice Decision Making, such as ELECTRE, PROMETHEE, M-TOPSIS) that generalizes, automates and optimizes the evaluation of the environmental criteria at earlier design stage. The approach consists of three main stages. The first two steps correspond respectively to process inventory analysis based on mass and energy balances and impact assessment phases of LCA methodology. Specific attention is paid to the main issues that can be encountered with database and impact assessment i.e. incomplete or missing information, or approximate information that does not match exactly the real situation that may introduce a bias in the environmental impact estimation. A process simulation tool dedicated to production utilities, Ariane, ProSim SA is used to fill environmental database gap, by the design of specific energy sub modules, so that the life cycle energy related emissions for any given process can be computed. The third stage of the methodology is based on the interaction of the previous steps with process simulation for environmental impact assessment and cost estimation through a computational framework. The use of multi-objective optimization methods generally leads to a set of efficient solutions, the so-called Pareto front. The next step consists in identifying the best ones through MCDM methods. The approach is applied to two processes operating in continuous mode. The capabilities of the methodology are highlighted through these case studies (benzene production by HDA process and biodiesel production from vegetable oils). A multi-level assessment for multi-objective optimization is implemented for both cases, the explored pathways depending on the analysis and antagonist behaviour of the criteria.