Ce travail de thèse porte sur le comportement en vol de drones légers à voilure fixe en présence de vent. Ces dispositifs aériens offrent une transition en douceur de la théorie à la pratique dans le domaine de la commande autonome. En outre, ils fournissent une solution appropriée dans des environnements inaccessibles ou dangereux pour les êtres humains. Cependant, ne pas avoir un pilote humain à bord implique que les UAV reposent sur l'automatisation pour naviguer ou pour éviter les obstacles. De plus, leur vitesse de fonctionnement relativement faible les rend particulièrement affectés par le vent. Motivé par ces considérations, les objectifs de ce travail de recherche visent des résultats théoriques et expérimentaux dans le domaine de la conception de contrôleurs de vol pour les petits drones à voilure fixe de configuration classique permettant le vol stable dans les conditions de vent. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs domaines de recherche sont abordés dans cette thèse comme il suit.Tout d'abord, une étude approfondie sur l'aspect aérodynamique de l'avion est menée afin d'obtenir le modèle mathématique du véhicule en présence de vent. En outre, des modèles qui reproduisent le comportement essentiel du système dans un contexte simplifié sont analysés. Par conséquent, des modèles non linéaires de complexité réduite, qui sont plus simples à analyser et simuler et plus adaptés à la conception de stratégies de contrôle, sont présentés. Deuxièmement, le problème à résoudre est formulé comme un problème de suivi de trajectoire dans lequel le dispositif de commande de vol doit être en mesure de diriger le véhicule le long d'un chemin. Des stratégies de navigation sont élaborées dans le but d'éliminer la déviation de l'avion par rapport à la trajectoire de référence. Le vent est considéré d'abord mesurable par une station au sol et, ensuite, estimé en utilisant une navigation adaptative basée sur la théorie de Lyapunov. La performance de l'algorithme d'estimation est améliorée en utilisant la stratégie de commande basée sur la méthode des fonctions de réglage. Le troisième axe de recherche est la conception et la mise en œuvre d'un dispositif expérimental qui se compose d'une station au sol utilisée pour la visualisation et la commande à distance du drone et d'un pilote automatique embarqué contenant la plate-forme de vol munie d'avionique appropriée. / This research work addresses the flight behavior of lightweight fixed-wing UAVs in windy conditions. Such aerial devices offer a smooth transition of autonomous flight control design from theory to practice in addition to providing a proper solution in environments inaccessible or dangerous to human beings. However, not having a human pilot onboard implies that UAVs rely on automation to navigate or to avoidobstacles. In addition, their relatively low operating speed makes them particularly affected by the wind field.Motivated by theses considerations, the objectives of the current research aim theoretical and experimental results in designing flight controllers for small fixed-wing UAVs of conventional configuration allowing for stable flight in windy conditions. In order to achieve these objectives, several research areas are being addresses in this thesis as it follows. First, a comprehensive study on the aerodynamic aspect of the aiplane in conducted in order to obtain the mathematical model of the aircraft in presence of wind. Further, models thet reproduce the essential behavior of the system in a simplified context are analyzed. consequently, nonlinear models of reduced complexity, that are easier to analyze and simulate and more adapted to the design of control strategies, are presented. Secondly, the problem to be solved is formulated as a trajectory following problem in which the flight controller must be able to steer the vehicle along a path. Navigation strategies are developed in order to minimize the airplane deviation relative to the reference trajectory. the wind is considered initially measurable by a ground station and, then, estimated using adaptative navigation based on the theory of Lyapunov. The performance of the estimation algorithm is improved using control design based on thr tuning functions method. The third axis of research is the design and the implementation of an experimental setup which consists of a ground station used for visualization and control purposes and an embedded autopilot architecture containing the airframe platform equipped with appropriate avionics.

Dans plusieurs tâches de la robotique, la vision est considérée comme l’élément essentiel avec lequel la perception de l’environnement ou l’interaction avec d’autres utilisateurs peut se réaliser. Néanmoins, les artefacts potentiellement présents dans les images capturées rendent la tâche de reconnaissance et d’interprétation de l’information visuelle extrêmement compliquée. Il est de ce fait, très important d’utiliser des primitives robustes, stables et ayant un taux de répétabilité élevé afin d’obtenir de bonnes performances. Cette thèse porte sur les problèmes de localisation et de détection de fermeture de boucle d’un robot mobile en utilisant la saillance visuelle. Les résultats en termes de précision et d’efficacité des applications de localisation et de détection de fermeture sont évalués et comparés aux résultats obtenus avec des approches de l’état de l’art sur différentes séquences d’images acquises en milieu extérieur. Le principal inconvénient avec les modèles proposés pour l’extraction de zones de saillance est leur complexité de calcul, ce qui conduit à des temps de traitement important. Afin d’obtenir un traitement en temps réel, nous présentons dans ce mémoire l’implémentation du détecteur de régions saillantes sur la plate forme reconfigurable DreamCam. / In several tasks of robotics, vision is considered to be the essential element by which the perception of the environment or the interaction with other users can be realized. However, the potential artifacts in the captured images make the task of recognition and interpretation of the visual information extremely complicated. It is therefore very important to use robust, stable and high repeatability rate primitives to achieve good performance. This thesis deals with the problems of localization and loop closure detection for a mobile robot using visual saliency. The results in terms of accuracy and efficiency of localization and closure detection applications are evaluated and compared to the results obtained with the approaches provided in literature, both applied on different sequences of images acquired in outdoor environnement. The main drawback with the models proposed for the extraction of salient regions is their computational complexity, which leads to significant processing time. To obtain a real-time processing, we present in this thesis also the implementation of the salient region detector on the reconfigurable platform DreamCam.

Ce travail porte, de façon théorétique et pratique, sur les sujets plus pertinents autour des drones en navigation autonome et semi-autonome. Conformément à la nature multidisciplinaire des problèmes étudies, une grande diversité des techniques et théories ont été couverts dans les domaines de la robotique, l’automatique, l’informatique, la vision par ordinateur et les systèmes embarques, parmi outres.Dans le cadre de cette thèse, deux plates-formes expérimentales ont été développées afin de valider la théorie proposée pour la navigation autonome d’un drone. Le premier prototype, développé au laboratoire, est un quadrirotor spécialement conçu pour les applications extérieures. La deuxième plate-forme est composée d’un quadrirotor à bas coût du type AR.Drone fabrique par Parrot. Le véhicule est connecté sans fil à une station au sol équipé d’un système d’exploitation pour robots (ROS) et dédié à tester, d’une façon facile, rapide et sécurisé, les algorithmes de vision et les stratégies de commande proposés. Les premiers travaux développés ont été basés sur la fusion de donnés pour estimer la position du drone en utilisant des capteurs inertiels et le GPS. Deux stratégies ont été étudiées et appliquées, le Filtre de Kalman Etendu (EKF) et le filtre à Particules (PF). Les deux approches prennent en compte les mesures bruitées de la position de l’UAV, de sa vitesse et de son orientation. On a réalisé une validation numérique pour tester la performance des algorithmes. Une tâche dans le cahier de cette thèse a été de concevoir d’algorithmes de commande pour le suivi de trajectoires ou bien pour la télé-opération. Pour ce faire, on a proposé une loi de commande basée sur l’approche de Mode Glissants à deuxième ordre. Cette technique de commande permet de suivre au quadrirotor de trajectoires désirées et de réaliser l’évitement des collisions frontales si nécessaire. Etant donné que la plate-forme A.R.Drone est équipée d’un auto-pilote d’attitude, nous avons utilisé les angles désirés de roulis et de tangage comme entrées de commande. L’algorithme de commande proposé donne de la robustesse au système en boucle fermée. De plus, une nouvelle technique de vision monoculaire par ordinateur a été utilisée pour la localisation d’un drone. Les informations visuelles sont fusionnées avec les mesures inertielles du drone pour avoir une bonne estimation de sa position. Cette technique utilise l’algorithme PTAM (localisation parallèle et mapping), qui s’agit d’obtenir un nuage de points caractéristiques dans l’image par rapport à une scène qui servira comme repère. Cet algorithme n’utilise pas de cibles, de marqueurs ou de scènes bien définies. La contribution dans cette méthodologie a été de pouvoir utiliser le nuage de points disperse pour détecter possibles obstacles en face du véhicule. Avec cette information nous avons proposé un algorithme de commande pour réaliser l’évitement d’obstacles. Cette loi de commande utilise les champs de potentiel pour calculer une force de répulsion qui sera appliquée au drone. Des expériences en temps réel ont montré la bonne performance du système proposé. Les résultats antérieurs ont motivé la conception et développement d’un drone capable de réaliser en sécurité l’interaction avec les hommes et les suivre de façon autonome. Un classificateur en cascade du type Haar a été utilisé pour détecter le visage d’une personne. Une fois le visage est détecté, on utilise un filtre de Kalman (KF) pour améliorer la détection et un algorithme pour estimer la position relative du visage. Pour réguler la position du drone et la maintenir à une distance désirée du visage, on a utilisé une loi de commande linéaire. / The present document addresses, theoretically and experimentally, the most relevant topics for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in autonomous and semi-autonomous navigation. According with the multidisciplinary nature of the studied problems, a wide range of techniques and theories are covered in the fields of robotics, automatic control, computer science, computer vision and embedded systems, among others. As part of this thesis, two different experimental platforms were developed in order to explore and evaluate various theories and techniques of interest for autonomous navigation. The first prototype is a quadrotor specially designed for outdoor applications and was fully developed in our lab. The second testbed is composed by a non expensive commercial quadrotor kind AR. Drone, wireless connected to a ground station equipped with the Robot Operating System (ROS), and specially intended to test computer vision algorithms and automatic control strategies in an easy, fast and safe way. In addition, this work provides a study of data fusion techniques looking to enhance the UAVs pose estimation provided by commonly used sensors. Two strategies are evaluated in particular, an Extended Kalman Filter (EKF) and a Particle Filter (PF). Both estimators are adapted for the system under consideration, taking into account noisy measurements of the UAV position, velocity and orientation. Simulations show the performance of the developed algorithms while adding noise from real GPS (Global Positioning System) measurements. Safe and accurate navigation for either autonomous trajectory tracking or haptic teleoperation of quadrotors is presented as well. A second order Sliding Mode (2-SM) control algorithm is used to track trajectories while avoiding frontal collisions in autonomous flight. The time-scale separation of the translational and rotational dynamics allows us to design position controllers by giving desired references in the roll and pitch angles, which is suitable for quadrotors equipped with an internal attitude controller. The 2-SM control allows adding robustness to the closed-loop system. A Lyapunov based analysis probes the system stability. Vision algorithms are employed to estimate the pose of the vehicle using only a monocular SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) fused with inertial measurements. Distance to potential obstacles is detected and computed using the sparse depth map from the vision algorithm. For teleoperation tests, a haptic device is employed to feedback information to the pilot about possible collisions, by exerting opposite forces. The proposed strategies are successfully tested in real-time experiments, using a low-cost commercial quadrotor. Also, conception and development of a Micro Aerial Vehicle (MAV) able to safely interact with human users by following them autonomously, is achieved in the present work. Once a face is detected by means of a Haar cascade classifier, it is tracked applying a Kalman Filter (KF), and an estimation of the relative position with respect to the face is obtained at a high rate. A linear Proportional Derivative (PD) controller regulates the UAV’s position in order to keep a constant distance to the face, employing as well the extra available information from the embedded UAV’s sensors. Several experiments were carried out through different conditions, showing good performance even under disadvantageous scenarios like outdoor flight, being robust against illumination changes, wind perturbations, image noise and the presence of several faces on the same image. Finally, this thesis deals with the problem of implementing a safe and fast transportation system using an UAV kind quadrotor with a cable suspended load. The objective consists in transporting the load from one place to another, in a fast way and with minimum swing in the cable.

Depuis plusieurs années, bénéficiant de nombreuses évolutions technologiques, le domaine de l'instrumentation sans fil a conquis de nouveaux champs d'application, comme le suivi de paramètres physiologiques des personnes, par le développement des réseaux de capteurs sans fil autour du corps humain (BAN, pour Body Area Networks). Majoritairement orienté vers le domaine médical et l'amélioration des conditions de vie des patients, ce type de plate-forme s'est plus récemment étendu à d'autres activités, notamment aux loisirs et au sport. Selon le contexte applicatif, les hypothèses et les contraintes liées à ces réseaux peuvent être très variées, c'est pourquoi le développement de mécanismes de communication adaptés est nécessaire. Au cours de mes travaux de thèse, je me suis intéressé à la réalisation de plate-formes de collecte de données pour des applications sportives en situation de mobilité. Dans une première partie est abordée la collecte d'informations individuelles, pour laquelle nous présentons une preuve de concept en contexte sportif, avant d'apporter des éléments complémentaires à la modélisation des canaux des BAN et aux stratégies de communication pour la collecte individuelle. Ensuite, nous abordons la réflexion sur la collecte d'informations dans les réseaux denses et mobiles, en proposant des algorithmes distribués basés sur le consensus permettant d'identifier des groupes de façon dynamique, à petite et large échelle. Des réalisations pratiques à chaque étape de mes travaux de thèse permettent la validation des plate-formes développées, grâce à un ensemble conséquent de données collectées sur le terrain. L'analyse des données fournit également des éléments pour mieux caractériser les communications, notamment à large échelle, ce qui ouvre de nombreuses pistes quant à de futurs travaux. De plus, si un fort contexte applicatif est présent dans ces travaux, les méthodes d'analyse et les algorithmes développés sont valorisables et extensibles à d'autres domaines. / The technological evolutions which have taken place for the last decades allowed the emergence of new application fields, such as the wireless monitoring of physiological parameters collected on the human body, with the development of Wireless Body Area Networks (WBANs, or BANs). Mostly dedicated to the medical domain and the improvement of the patients' comfort and safety, this kind of platforms more recently extended to other kinds of activities, such as sports and leisures. According to the applicative context, the hypotheses and constraints associated to these networks can vary drastically, yielding the necessity of developing adapted communication mechanisms. The works presented in this thesis have focused on the realization of data collection platforms for mobile sports applications. In a first part, we concentrate on the individual data collection, for which we give a proof of concept in the context of a Marathon race, before aiming at a better understanding of individual channel models and cooperative mechanisms for on-body data centralization. In a second part, we are interested in dense and mobile networks consisting in an important number of coexisting BANs. Our aim is to propose distributed algorithms based on consensus to allow dynamic group detection, with a variable scale. The validation of the approaches developed in this document is performed by practical implementations and experiments at each step of this work, thanks to an important amount of real world collected data. Through extended analyzes, we provide elements allowing to characterize the communication within mobile BANs, and particularly large scale networks. Although guided by the strong applicative context of live TV broadcast, these works and analysis methods don't lose in generality, and this challenging and original context opens a lot of perspectives.

Nowadays, computer systems are everywhere. From simple portable devices such as watches and MP3 players to large stationary installations that control nuclear power plants, computer systems are now present in all aspects of our modern and every-day life. In about only 70 years, they have completely perturbed our way of life and they reached a so high degree of sophistication that they will be soon capable of driving our cars and cleaning our houses without any human intervention. As computer systems gain in responsibilities, it becomes essential that they provide both safety and reliability. Indeed, a failure in systems such as the anti-lock braking system (ABS) in cars could threaten human lives and generate catastrophic and irreversible consequences. Hence, for many years, researchers have addressed these emerging problems of system safety and reliability which come along with this fulgurant evolution. <p><p>This thesis provides a general overview of embedded real-time computer systems, i.e. a particular kind of computer system whose number grows daily. We provide the reader with some preliminary knowledge and a good understanding of the concepts that underlie this emerging technology. We focus especially on the theoretical problems related to the real-time issue and briefly summarizes the main solutions, together with their advantages and drawbacks. This brings the reader through all the conceptual layers constituting a computer system, from the software level---the logical part---that specifies both the system behavior and requirements to the hardware level---the physical part---that actually performs the expected treatments and reacts to the environment. In the meanwhile, we introduce the theoretical models that allow researchers for theoretical analyses which ensure that all the system requirements are fulfilled. Finally, we address the energy consumption problem in embedded systems. We describe the various factors of power dissipation in modern technologies and we introduce different solutions to reduce this consumption./Cette thèse se focalise sur un type de systèmes informatiques bien précis appelés “systèmes embarqués temps réel”. Un système est dit “embarqué” lorsqu’il est développé afin de servir un but bien précis. Un téléphone portable est un parfait exemple de système embarqué étant donné que toutes ses fonctionnalités sont rigoureusement définies avant même sa conception. Au contraire, un ordinateur personnel n’est généralement pas considéré comme un système embarqué, les concepteurs ne sachant pas à l’avance à quelles fins il sera utilisé. Une grande partie de ces systèmes embarqués ont des contraintes temporelles très fortes, ce qui les distingue encore plus des ordinateurs grand public. A titre d’exemple, lorsqu’un conducteur de voiture freine brusquement, l’ordinateur de bord déclenche l’application ABS et il est primordial que cette application soit traitée endéans une courte échéance. Autrement dit, cette fonctionnalité ABS doit être traitée prioritairement par rapport aux autres fonctionnalités du véhicule. Ce type de système embarqué est alors dit “temps réel”, dû à ces notions de temps et de priorités entre les applications. La problèmatique posée par les systèmes temps réel est la suivante. Comment déterminer, à tout moment, un ordre d’exécution des différentes fonctionnalités de telle sorte qu’elles soient toutes exécutées entièrement endéans leur échéance ?De plus, avec l’apparition récente des systèmes multiprocesseurs, cette problématique s’est fortement complexifiée, vu que le système doit à présent déterminer quelle fonctionnalité s’exécute à quel moment sur quel processeur afin que toutes les contraintes temporelles soient respectées. Pour finir, ces systèmes embarqués temp réel multiprocesseurs se sont rapidement retrouvés confrontés à un problème de consommation d’énergie. Leur demande en terme de performance (et donc en terme d’énergie) à évolué beaucoup plus rapidement que la capacité des batteries qui les alimentent. Ce problème est actuellement rencontré par de nombreux systèmes, tels que les téléphones portables par exemple. L’objectif de cette thèse est de parcourir les différents composants de tels système embarqués et de proposer des solutions afin de réduire leur consommation d’énergie. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La connectique utilisée en automobile est soumise à des sollicitations vibratoires provoquant des micro-glissements répétitifs à l'origine d'importants endommagements électriques et mécaniques. Les travaux réalisés dans cette thèse ont permis de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu lorsqu'un contact est soumis à des vibrations et ont contribué à l'évolution des connaissances et à la résolution de problèmes de connectique dans des cas spécifiques. En effet, le phénomène appelé fretting-corrosion engendre des défauts complexes dans la connectique automobile. Dans la connectique bas niveaux, il provoque une transmission erronée ou l'absence d'un signal entre les différents organes (ex : capteurs, calculateurs, etc.), tandis que dans la connectique de puissance, ce phénomène engendre des échauffements qui sont dus à l'effet Joule mais aussi à des apparitions intermittentes d'arcs électriques (> 6000 K) lors des vibrations. Ces échauffements excessifs engendrent un ramollissement des matériaux, constituant le housing (logement du connecteur). Cela peut impliquer une modification de la force de contact appliquée à ce dernier sans oublier l'accélération de l'usure mécanique entre deux parties en contact dynamique. De plus, une analyse des paramètres (courant, revêtements du substrat, épaisseurs des revêtements) qui influent sur ce phénomène a été entreprise lors de cette étude. / Electrical connections used in automobiles are subject to vibration forces causing repetitive micro-sliding which is at the origin of significant electrical and mechanical damage. The thesis research performed has allowed us to better understand the phenomena in play when a contact is subject to vibrations and has contributed to the development of knowledge and to the resolution of connection problems in specific cases. In fact, the phenomenon called fretting-corrosion leads to complex faults in automotive connections. In low power level connections, it causes erroneous transmission errors or the absence of signal between different components (e.g. sensors, computers, etc.) while in power connections, this phenomenon produces heating due to the Joule Effect but also the intermittent appearance of electrical arcs (> 6000 K) during vibrations. This excessive heating causes the materials constituting the connector housing to soften. This could lead to the modification of the applied contact force of the latter and in addition, the acceleration of mechanical wear between the two parts in dynamical contact. In addition, the analysis of parameters (current, coatings of the substrate, thicknesses of coatings) which influence this phenomenon, were performed during this research.

Dans cette thèse nous développons et améliorons des attaques de systèmes cryptographiques. Un nouvel algorithme de décomposition de signal appelé transformation de Hilbert-Huang a été adapté pour améliorer l’efficacité des attaques parcanaux auxiliaires. Cette technique permet de contrecarrer certaines contre-mesures telles que la permutation d’opérations ou l’ajout de bruit à la consommation de courant. La seconde contribution de ce travail est l’application de certaines distributions statistiques de poids de Hamming à l’attaque d’algorithmes de chiffrement par bloc tels que AES, DES ou LED. Ces distributions sont distinctes pour chaque valeur de sous-clef permettent donc de les utiliser comme modèles intrinsèques. Les poids de Hamming peuvent être découverts par des analyses de canaux auxiliaires sans que les clairs ni les chiffrés ne soient accessibles. Cette thèse montre que certaines contremesures peuvent parfois faciliter des attaques. Les contre-mesures contagieuses proposées pour RSA protègent contre les attaques par faute mais ce faisant et moyennant des calculs additionnels facilitent la découverte de la clef. Finalement, des contre-mesures à faible complexité calculatoire sont proposées. Elles sont basées sur le masquage antagoniste, c’est-à-dire, l’exécution d’une opération d’équilibrage sur des données sensibles pour masquer la consommation de courant. / The goal of the thesis is to develop and improve methods for defeating protected cryptosystems. A new signal decompositionalgorithm, called Hilbert Huang Transform, was adapted to increase the efficiency of side-channel attacks. This technique attempts to overcome hiding countermeasures, such as operation shuffling or the adding of noise to the power consumption. The second contribution of this work is the application of specific Hamming weight distributions of block cipher algorithms, including AES, DES, and LED. These distributions are distinct for each subkey value, thus they serve as intrinsic templates. Hamming weight data can be revealed by side-channel and fault attacks without plaintext and ciphertext. Therefore these distributions can be applied against implementations where plaintext and ciphertext are inaccessible. This thesis shows that some countermeasures serve for attacks. Certain infective RSA countermeasures should protect against single fault injection. However, additional computations facilitate key discovery. Finally, several lightweight countermeasures are proposed. The proposed countermeasures are based on the antagonist masking, which is an operation occurring when targeting data processing, to intelligently mask the overall power consumption.

Cette thèse traite de systèmes embarqués contrôlés par un ensemble de processus périodiques non synchronisés. Chaque processus est activé quasi-périodiquement, c'est-à-dire périodiquement avec une gigue bornée. Les délais de communication sont également bornés. De tels systèmes réactifs, appelés 'quasi-périodiques', apparaissent dès que l'on branche ensemble deux processus périodiques. Dans la littérature, ils sont parfois qualifiés de systèmes distribués temps-réels synchrones. Nous nous intéressons aux techniques de conception et d'analyse de ces systèmes qui n'imposent pas de synchronisation globale. Les langages synchrones ont été introduits pour faciliter la conception des systèmes réactifs. Ils offrent un cadre privilégié pour programmer, analyser, et vérifier des systèmes quasi-périodiques. En s'appuyant sur une approche synchrone, les contributions de cette thèse s'organisent selon trois thématiques: vérification,implémentation, et simulation des systèmes quasi périodiques.Vérification: 'L'abstraction quasi-synchrone' est une abstraction discrète proposée par Paul Caspi pour vérifier des propriétés de sûreté des systèmes quasi-périodiques. Nous démontrons que cette abstraction est en général incorrecte et nous donnons des conditions nécessaires et suffisantes sur le graphe de communication et les caractéristiques temps-réel de l'architecture pour assurer sa correction. Ces résultats sont ensuite généralisés aux systèmes multi-périodiques.Implémentation: Les 'LTTAs' sont des protocoles conçus pour assurer l'exécution correcte d'une application sur un système quasi-périodique. Nous proposons d'étudier les LTTA dans un cadre synchrone unifié qui englobe l'application et les contrôleurs introduits par les protocoles. Cette approche nous permet de simplifier les protocoles existants, de proposer des versions optimisées, et de donner de nouvelles preuves de correction. Nous présentons également dans le même cadre un protocole fondé sur une synchronisation d'horloge pour comparer les performances des deux approches.Simulation: Un système quasi-périodique est un exemple de modèle faisant intervenir des caractéristiques temps-réels et des tolérances. Pour ce type de modèle non déterministe, nous proposons une 'simulation symbolique', inspirée des techniques de vérification des automates temporisés. Nous montrons comment compiler un modèle mêlant des composantes temps-réel non déterministes et des contrôleurs discrets en un programme discret qui manipule des ensembles de valeurs. Chaque trace du programme résultant capture un ensemble d'exécutions possibles du programme source. / In this thesis we study embedded controllers implemented as sets of unsynchronized periodic processes. Each process activates quasi-periodically, that is, periodically with bounded jitter, and communicates with bounded transmission delays. Such reactive systems,termed 'quasi-periodic', exist as soon as two periodic processes areconnected together. In the distributed systems literature they arealso known as synchronous real-time models. We focus on techniquesfor the design and analysis of such systems without imposing a globa lclock synchronization. Synchronous languages were introduced as domain specific languages for the design of reactive systems. They offer an ideal framework to program, analyze, and verify quasi-periodic systems. Based on a synchronous approach, this thesis makes contributions to the treatment of quasi-periodic systems along three themes: verification,implementation, and simulation.Verification: The 'quasi-synchronous abstraction' is a discrete abstraction proposed by Paul Caspi for model checking safety properties of quasi-periodic systems. We show that this abstractionis not sound in general and give necessary and sufficient conditionson both the static communication graph of the application and the real-time characteristics of the architecture to recover soundness. We then generalize these results to multirate systems.Implementation: 'Loosely time-triggered architectures' are protocols designed to ensure the correct execution of an application running on a quasi-periodic system. We propose a unified framework that encompasses both the application and the protocol controllers. This framework allows us to simplify existing protocols, propose optimized versions, and give new correctness proofs. We instantiate our framework with a protocol based on clock synchronization to compare the performance of the two approaches.Simulation: Quasi-periodic systems are but one example of timed systems involving real-time characteristics and tolerances. For such nondeterministic models, we propose a 'symbolic simulation' scheme inspired by model checking techniques for timed automata. We show how to compile a model mixing nondeterministic continuous-time and discrete-time dynamics into a discrete program manipulating sets of possible values. Each trace of the resulting program captures a set of possible executions of the source program.

Model-Based Software Engineering (MBSE) a été proposé comme une méthodologie prometteuse de développement de logiciels pour surmonter les limites de la méthodologie traditionnelle basée sur la programmation pour faire face à la complexité des systèmes embarqués. MBSE favorise l’utilisation de langages de modélisation pour décrire les systèmes d’une manière abstraite et fournit des moyens pour générer automatiquement de différents artefacts de développement, p.ex. code et documentation, à partir de modèles. Le développement d’un système complexe implique souvent de multiples intervenants qui utilisent différents outils pour modifier les artefacts de développement, le modèle et le code en particulier dans cette thèse. Les modifications apportées aux artefacts évoquent le problème de cohérence qui nécessite un processus de synchronisation pour propager les modifications apportées dans l’un artefact aux autres artefacts. Dans cette étude, le problème de la synchronisation des modèles d’architecture basés sur les éléments UML composite structure (UML-CS) et UML state machine (UML-SM) du langage de l’Unified Modeling Language (UML), et le code orienté objet est présenté. UML-CSs sont utilisés pour décrire l’architecture du logiciel basée sur les composants et UML-SMs pour les comportements discrets liés aux événements des systèmes réactifs. Le premier défi est de permettre une collaboration entre les architectes de logiciels et les programmeurs produisant de modèle et de code, en utilisant différents outils. Il soulève le problème de synchronisation où il existe de modifications simultanées des artefacts. En fait, il existe un écart de perception entre les langages à base de diagramme (langages de modélisation) et les langages textuels (langages de programmation). D’une part, les programmeurs préfèrent souvent utiliser la combinaison familière d’un langage de programmation et d’un environnement de développement intégré. D’autre part, les architectes logiciels, travaillant à des niveaux d’abstraction plus élevés, favorisent l’utilisation des modèles et préfèrent donc les langages à base de diagramme pour décrire l’architecture du système. Le deuxième défi est qu’il existe un écart d’abstraction significatif entre les éléments du modèle et les éléments du code: les éléments UML-CS et UML-SM sont au niveau d’abstraction plus élevé que les éléments du code. L’écart rend la difficulté pour les approches de synchronisation actuelles car il n’y a pas de façon facile de réflecter les modifications du code au modèle. Cette thèse propose une approche automatisée de synchronisation composée de deux principales contributions corrélées. Pour aborder le premier défi, on propose un patron méthodologique générique de synchronisation entre modèle et code. Il consiste en des définitions des fonctionnalités nécessaires et plusieurs processus qui synchronisent le modèle et le code en fonction de plusieurs scénarios définis où les développeurs utilisent différents outils pour modifier le modèle et le code. Cette contribution est indépendante de UML-CSs et UML-SMs. La deuxième contribution traite du deuxième défi et est basée sur les résultats de la première contribution. Dans la deuxième contribution, un mapping bidirectionnel est présentée pour réduire l’écart d’abstraction entre le modèle et le code. Le mapping est un ensemble de correspondances entre les éléments de modèle et ceux de code. Il est utilisé comme entrée principale du patron méthodologique générique de synchronisation entre modèle et code. Plus important, l’utilisation du mapping fournit les fonctionnalités définies dans la première contribution et facilite la synchronisation des éléments de UML-CS et UML-SM et du code. L’approche est évaluée au moyen de multiples simulations et d’une étude de cas. / Model-Based Software Engineering (MBSE) has been proposed as a promising software development methodology to overcome limitations of traditional programming-based methodology in dealing with the complexity of embedded systems. MBSE promotes the use of modeling languages for describing systems in an abstract way and provides means for automatically generating different development artifacts, e.g. code and documentation, from models. The development of a complex system often involves multiple stakeholders who use different tools to modify the development artifacts, model and code in particular in this thesis. Artifact modifications must be kept consistent: a synchronization process needs to propagate modifications made in one artifact to the other artifacts. In this study, the problem of synchronizing Unified Modeling Language (UML)-based architecture models, specified by UML composite structure (UML-CS) and UML state machine (UML-SM) elements, and object-oriented code is presented. UML-CSs are used for describing the component-based software architecture and UML-SMs for discrete event-driven behaviors of reactive systems. The first challenge is to enable a collaboration between software architects and programmers producing model and code by using different tools. This raises the synchronization problem of concurrent artifact modifications. In fact, there is a perception gap between diagram-based languages (modeling languages) and text-based languages (programming languages). On the one hand, programmers often prefer to use the more familiar combination of a programming language and an Integrated Development Environment. On the other hand, software architects, working at higher levels of abstraction, tend to favor the use of models, and therefore prefer diagram-based languages for describing the architecture of the system. The second challenge is that there is a significant abstraction gap between the model elements and the code elements: UML-CS andUML-SM elements are at higher level of abstraction than code elements. The gap makes current synchronization approaches hard to be applied since there is no easy way to reflect modifications in code back to model. This thesis proposes an automated synchronization approach that is composed of two main correlated contributions. To address the first challenge, a generic model-code synchronization methodological pattern is proposed. It consists of definitions of necessary functionalities and multiple processes that synchronize model and code based on several defined scenarios where the developers use different tools to modify model and code. This contribution is independent of UML-CSs and UML-SMs. The second contribution deals with the second challenge and is based on the results from the first contribution. In the second contribution, a bidirectional mapping is presented for reducing the abstraction gap between model and code. The mapping is a set of correspondences between model elements and code elements. It is used as main input of the generic model-code synchronization methodological pattern. More importantly, the usage of the mapping provides the functionalities defined in the first contribution and eases the synchronization of UML-CS and UML-SM elements and code. The approach is evaluated by means of multiple simulations and a case study.

Dans les systèmes embarqués critiques, assurer la sûreté de fonctionnement est primordial du fait, à la fois, des exigences en sûreté dictées par les autorités de certification et des contraintes en sûreté de ces systèmes où des défaillances pourraient conduire à des évènements catastrophiques, voire la perte de vies humaines. Les architectures de ces systèmes sont aujourd'hui de plus en plus distribuées, s'appuyant sur des réseaux numériques complexes, ce qui pose la problématique de l'intégrité des communications. Dans ce contexte, nous proposons une approche bout en bout pour l'intégrité des communications, basée sur le concept du " canal noir " introduit par l'IEC 61508. Elle utilise les codes détecteurs d'erreurs CRC, Adler et Fletcher. Selon le niveau de redondance des systèmes, nous proposons une approche multi-codes (intégrité jugée sur un lot de messages) pour les systèmes dotés d'un niveau de redondance important et une approche mono-code (intégrité jugée sur chaque message) pour les autres cas. Nous avons validé ces propositions par des expérimentations évaluant le pouvoir de détection intrinsèque de chaque code détecteur et la complémentarité entre ces code en termes de pouvoir de détection, ainsi que leurs coûts de calcul avec une analyse de l'impact du type de leur implémentation et de l'environnement matériel (standard et embarqué : processeurs i7, STM32, TMS320C6657 et P2020). L'approche mono-code a été appliquée à un cas d'étude industriel : les futurs systèmes de commande de vol d'Airbus Helicopters. / In critical embedded systems, ensuring dependability is crucial given both dependability requirements imposed by certification authorities and dependability constraints of these systems where failures could lead to catastrophic events even loss of human lives. The architectures of these systems are increasingly distributed deploying complex digital networks which raise the issue of communication integrity. In this context, we propose an end to end approach for communication integrity. This approach is based on the "black channel" concept introduced by IEC 61508. It uses error detection codes particularly CRC, Adler and Fletcher. Depending on the redundancy level of targeted systems, we propose a multi-codes approach (integrity of a set of messages) for systems with an important redundancy level and a single- code approach (integrity per message) for the other cases. We validated our proposals through experiments in order to evaluate intrinsic error detection capability of each error detection code, their complementarity in terms of error detection and their computational costs by analyzing the impact of the type of implementation and the hardware environment (standard or embedded: i7, STM32, TMS320C6657 and P2020 processors). The single-code approach was applied to an industrial case study: future flight control systems of Airbus Helicopters.