Le thème de la « navigation bas-coût », caractérisé par le transfert de performance des capteurs vers les algorithmes de fusion de données et de commande, est un thème central dans de nombreuses applications militaires liées en particulier aux besoins nouveaux des troupes légères. L'utilisation de capteurs inertiels ou magnétométriques type MEMS et de GPS civils (notamment), optimise les critères d'encombrement, de masse et de consommation. Mais elle requiert, en compensation des performances relativement médiocres des capteurs, des algorithmes de guidage-navigation-pilotage spécifiques aux applications considérées. Dans ce mémoire, nous considérons trois scénarios d'utilisation et exposons des techniques innovantes pour la localisation et le contrôle. Nous considérons d'abord le cas d'un robot terrestre équipé de capteurs de proximité, d'un gyroscope, d'odomètres et d'un GPS. Nous implémentons expérimentalement avec succès un algorithme d'évitement d'obstacles dont nous établissons une preuve de convergence, ainsi qu'un algorithme de planification de trajectoires hors ligne dont nous utilisons les résultats en temps réel pour réaliser, via un estimateur non linéaire, un bouclage par retour dynamique. Nous étudions ensuite le cas du vol autonome d'une plate-forme aérienne instable de type hélicoptère. Nous développons et implémentons, à bord sur un système de mesure et de calcul temps-réel de notre conception, un estimateur d'état incluant un modèle de la dynamique du vol de l'engin, recalé par les capteurs inertiels, barométriques, et GPS ainsi qu'un bouclage par retour d'état. En utilisant les résultats de filtrage sur les vols effectués, les paramètres du modèle sont précisément identifiés : la qualité et la robustesse de l'estimation obtenues grâce au modèle permettent de réaliser un vol stationnaire autonome en extérieur. Enfin nous considérons le problème d'un piéton évoluant à l'intérieur de bâtiments. Les erreurs d'estimation du cap lors de l'utilisation des différentes plate-formes (terrestre comme aérienne) nous guident vers une utilisation nouvelle du champ magnétique par l'inspection de ses gradients. Par une technique que nous exposons, nous montrons comment utiliser les perturbations (inconnues) du champ magnétique pour améliorer considérablement l'estimation de position d'une centrale inertielle bas-coût au point qu'elle devienne un instrument de localisation.

L'animation traditionnelle de personnages repose sur la création d'une enveloppe externe, appelée la peau, et d'un squelette interne constitué d'une hiérarchie de reperes permettant de la déformer. De par son efficacité, le skinning est la technique de prédilection des infographistes. Cependant, bien que de nombreux travaux aient permis de résoudre les problemes notoires de la méthode, certains types de déformations ne peuvent toujours pas être générés. On y retrouve les plis dynamiques de la peau ou des vêtements au niveau des articulations ou bien les effets d'inertie des masses musculaires et graisseuses lors de mouvements secs et rapides. Dans cette these, nous proposons deux techniques de modélisation et d'animation traitant ces problemes spécifiques qui peuvent être utilisées sur une animation existante pour en accroître le réalisme. Notre premiere contribution s'attache a ajouter, en temps-réel, des déformations dynamiques de la couche muscles/graisse aux déformations cinématiques obtenues par skinning ou tout autre technique équivalente. L'effet dynamique est calculé a travers une simplification des lois de l'élasticité linéaire. Pour cela, des éléments dynamiques associant les vibrations d'un ressort a un ensemble de poids assignés aux sommets du maillage permettent d'effectuer un skinning dynamique. L'emplacement, la fréquence et l'amplitude de ces effets sont spécifiés, de maniere très simple, par l'utilisateur. Sur cette couche vient se greffer une surface fine qui peut être soit la peau, soit directement un vêtement. Cette surface, d'aire quasiment constante, suit les déformations des muscles et des tissus graisseux tout en plissant lorsqu'elle se retrouve compressée. Pour cela, l'utilisateur positionne et oriente une courbe de contrôle qui se déforme a longueur constante et spécifie sa région d'influence. Pendant l'animation, des plis géométriques sont générés en temps-réel dans les zones couvertes par l'outil, le maillage étant raffiné localement a la volée.

Les phases de validation et de vérification (V&V) des systèmes réactifs temps réel critique (de plus en plus complexes) sont très importantes en termes de coût et de temps. Dans ce contexte, toute méthode et outil permettant d'aider à la réalisation des activités de V&V est d'une très grande importance au cours du développement. Le test fonctionnel est le moyen le plus utilisé au cours de ces phases de V&V. Or, les méthodes de test présentent des limites : un test exhaustif est quasiment impossible à réaliser en raison de la taille et de la complexité des systèmes considérés. Dans ce contexte, les enjeux de la maîtrise de l'effort de test (complexité et coût) sont majeurs, mais les exigences de qualité pour ces systèmes sont très grandes. L'effort de test caractérise tout autant l'élaboration des jeux de test que le diagnostic. Dans cette optique, nous avons défini deux méthodologies basées sur les concepts d'analyse de testabilité et les stratégies de test. La première méthodologie permet d'aider à la définition de jeux de test pertinents et à l'analyse de couverture des systèmes réactifs spécifiés dans un formalisme flot de données SCADE dans le contexte AIRBUS. La seconde propose des méthodes d'aide à la vérification (identification de tests pertinents et localisation de composants défectueux au cours diagnostic) de systèmes sur la chaîne d'assemblage finale (FAL) d'un avion AIRBUS.

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. 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.

Les systèmes temps réel peuvent être grands, distribués et avoir un environnement dynamique. Cela exige la mise en place de différents modes de fonctionnement et techniques de fiabilité. Par ailleurs, ces différents changements dynamiques d'architecture et de comportement ont un impact sur les caractéristiques temporelles des systèmes qui nécessitent une étude particulière de la capacité des comportements d'adaptation à garantir les contraintes fixées aux systèmes. Le travail présenté dans cette thèse est focalisé sur la spécification de l'adaptabilité d'un système temps réel et l'étude sur de jeux de configurations prédéfinis de l'impact temporel des actions d'adaptation dynamique. Pour cela, nous présentons une méthodologie outillée basée sur la notion de Mode du profil MARTE. Chaque mode représente un comportement possible du système pour un environnement bien déterminé associé à une configuration logicielle. L'approche développée propose de modéliser le comportement adaptatif à travers la définition du contexte, de la variabilité, des opérations de reconfigurations et de la configuration de base. L'analyse d'ordonnançabilité est ensuite effectuée au niveau du modèle en intégrant l'impact des comportements d'adaptation. Deux paradigmes de modélisation peuvent alors être exploités pour effectuer cette analyse : les requêtes et les flots de données. Cela permet de vérifier que les contraintes temporelles de notre système resteront satisfaites en intégrant les opérations de reconfiguration issues du comportement adaptatif. Enfin, l'approche permet de générer des implantations des comportements adaptatifs à partir des modèles afin d'automatiser l'intégration des mécanismes d'adaptation dans les systèmes temps réel.

Les défaillances des applications embarquées dans les systèmes temps-réel strict peuvent avoir des conséquences graves (catastrophes industrielles, mise en danger de vies humaines). La vérification des contraintes temporelles d'un système temps-réel strict dépend de la connaissance du temps d'exécution pire-cas des tâches constituant l'application embarquée. L'utilisation de processeurs multi-cœurs est l'un des moyens actuellement mis en œuvre afin d'améliorer le niveau de performances des systèmes embarqués. Cependant, la détermination du temps d'exécution pire-cas d'une tâche sur ce type d'architecture est rendue difficile par le partage de certaines ressources par les cœurs, et notamment le bus d'interconnexion permettant l'accès à la mémoire centrale. Ce document propose un nouveau mécanisme d'arbitrage de bus à deux niveaux permettant d'améliorer les performances des ensembles de tâches exécutés tout en garantissant le respect des contraintes temporelles. Les méthodes décrites permettent d'établir un niveau de priorité d'accès au bus optimal pour chacune des tâches exécutées. Elles permettent également de trouver une allocation optimale des tâches aux cœurs lorsqu'il y a plus de tâches à exécuter que de cœurs disponibles. Les résultats expérimentaux montrent une diminution significative des estimations de temps d'exécution pire-cas et de l'utilisation du processeur.

La fissuration à chaud est un défaut majeur rencontré en solidification des alliages d'aluminium. Elle est liée à l'incapacité du liquide de s'écouler dans les zones où des porosités sont présentes, ne permettant pas de les refermer avant qu'elles gagnent en volume. Pour comprendre la fissuration à chaud, il est crucial de développer nos connaissances du comportement mécanique de la zone pâteuse. Pour cela, il est très utile d'effectuer des expériences de microtomographie aux rayons X et des simulations mécaniques sur des volumes élémentaires représentatifs. Dans cette thèse, nous proposons de coupler les deux approches en initialisant une simulation par éléments finis grâce à des données de microtomographie issues d'un test de traction isotherme d'un alliage d'aluminium-cuivre à l'état pâteux. Cette approche originale nous donne directement accès à la réalité expérimentale et permet des comparaisons des évolutions numérique et expérimentale de l'éprouvette. Nous expliquons dans un premier temps comment obtenir la représentation numérique à l'aide de l'algorithme des marching cubes et de la méthode d'immersion de volume. Nous présentons ensuite notre modèle numérique qui s'appuie sur une résolution monolithique des équations de Stokes. Une fois le champ de vitesse obtenu dans l'ensemble des phases solide, liquide et gazeuse, nous utilisons une méthode level set dans un formalisme eulérien afin de faire évoluer la morphologie de notre échantillon numérique. Malgré la simplicité du modèle, les résultats expérimentaux et numériques montrent un accord raisonnable en ce qui concerne la propagation de l'air à l'intérieur de l'échantillon.

Les dernières décennies ont connu l'apogée des transmissions hertziennes, et celles à venir connaîtront incontestablement le développement et le déploiement intense de systèmes de communications sans-fil. Dès à présent, il est possible de communiquer par onde sur petite et très petite distance (LAN et PAN). Les populations se sont familiariséesavec les interfaces bluetooth (IEEE802.15) présentes dans la majorité des objetscommuniquant (ordinateur portable, téléphone, PDA, etc...). Les foyers s'équipentmaintenant facilement et à bas prix d'interfaceWi-Fi (IEEE802.11), afin de profiter d'uneutilisation nomade de leur accès internet. Ainsi, la forte croissance dumarché des offresinternet combinée avec celle du marché des téléphones mobiles ont habitués un large spectre d'utilisateurs à communiquer sans fil. Ce contexte sociologique et financier encourage donc l'arrivée de solutions nouvelles répondant à des besoins latents. Parmi ceux-là, le marché met en évidence le manque de système de communication sur moyenne distance (MAN). Les réseaux ad-hoc peuvent répondre à ce genre de besoin. Mais àce jour, les performances sont trop faibles pour les besoins des utilisateurs et elles dépendenttrop fortement de la densité desmachines nomades. Aussi, le consortiumIEEEcherche au travers de sa norme IEEE802.16 à fournir un système complet de communicationsans-fil sur moyenne distance (MAN). Appelé aussiWiMAX, ce système se basesur une architecture composée d'une station de base (BS) et de nombreux mobiles utilisateurs(SS). Le standard IEEE802.16 définit les caractéristiques de la couche physiqueet de la couche MAC. Il décrit l'ensemble des interactions et événements pouvant avoirlieu entre la station de base et les stations mobiles. Enfin, le standard fournit différents paramètres et variables servant aux mécanismes de communication. Comme tout nouveau standard émergeant, la norme IEEE802.16 ne profite pas d'un état de l'art aussi développé que celui du IEEE802.11 par exemple. Aussi, de nombreuses études et idées sont à développer.En premier lieu, nous effectuons un large rappel de la norme WiMAX et en particulier le IEEE802.16e. Associé à cela, nous dressons un état de l'art des travaux traitant des aspects et perspectives liés au sujet de notre étude.Par la suite, nous proposons un modèle novateur de performance des communicationsIEEE802.16e. Au travers de ce modèle, nous développons une étude générale et exhaustive des principaux paramètres de communication. L'étude explicite l'impact deces paramètres ainsi que l'influence de leur évolutions possibles. De cela, nous critiquonsla pertinence de chacun d'eux en proposant des alternatives de configurations.5En sus, nous proposons un mécanisme novateur favorisant le respect de qualité de service(QoS) sur couche AC.Nous développons un principe original d'établissement de connexion favorisant l'accès aux communications sensibles aux délais de transmission.Dans une dernière partie, nous déterminons la capacité d'un système IEEE802.16 à gérer les arrivées et départs des utilisateurs. Tout en y associant une étude de performance d'un nouvel algorithme de contrôle d'admission. Cet algorithme d'admission vise à remplir des objectifs multiples : empêcher les famines de ressources sur les trafics les moins prioritaires, favoriser l'admission des utilisateurs en maintenant une gestion optimale de la ressource radio. Notre étude aboutit à une modélisation et une critique des variations de paramètre associés à ce nouvel algorithme. Nous y intégrons par la suite le principe de mobilité où les utilisateurs ont la capacité de se mouvoir au sein d'une cellule. Cette intégration se fait en y associant des mécanismes originaux afin d'assurer la pérennité du service aux utilisateurs mobiles.

Ce travail de recherche vise à développer des méthodes de détection et diagnostic appropriées et intégrables dans des systèmes soit d'aide à la décision dans le cadre de la gestion temps réel des réseaux d'assainissement, ou dans des procédures d'élaboration automatique de bilans quantitatifs de pollution légalement exigibles. Cette étude méthodologique débouche sur une synthèse et un approfondissement des techniques de détection et diagnostic de dysfonctionnements de réseau d'assainissement, et permet de dégager trois méthodes de détection reposant sur un modèle soit qualitatif soit analytique. L'une de ces méthodes s'applique à construire des comportements attendus du réseau synthétisés dans un modèle qualitatif dont la réponse est croisée avec les mesures. Les deux autres approches s'appuient sur un modèle hydrologique de transformation pluie-débit intégré dans un filtre de Kalman. La détection est alors réalisée soit avec un banc de filtres de Kalman complété par un test multi-hypothèses, soit avec un seul filtre de Kalman associé à un ensemble de tests d'hypothèses. Ces méthodes sont complétées par des analyses de sensibilité des procédures de détection et des exemples d'application pour des pluies de type différent. Enfin, une méthode de validation de mesures hydrauliques acquises en contexte hydrologique de temps sec est proposée. Elle s'appuie sur la création de scénarios de temps sec, comparés aux mesures hydrauliques grâce à des tests d'hypothèses. Cette approche permet alors d'identifier des contextes hydrologiques et hydrauliques caractérisant l'environnement d'un point de mesure.

L'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) place les modèles au cœur des processus de d'ingénierie logicielle et système. L'IDM permet de maitriser la complexité des logiciels et d'améliorer la rapidité et la qualité des processus de développement. Le Model Driven Architecture (MDA) est une initiative de l'Object Management Group (OMG) définissant un cadre conceptuel, méthodologique et technologique pour la mise-en-œuvre de flots de conception basés sur l'IDM. Le MDA s'appuie particulièrement sur une utilisation intensive des formalismes normalisés par l'OMG pour la mise-en-œuvre des flots IDM (UML pour la modélisation, QVT pour les transformations, etc.). Ce travail s'intéresse à la sémantique d'exécution du langage UML appliqué à l'exécution de modèles des applications temps réel embarquées. Dans ce contexte, l'OMG propose une norme qui définit un modèle d'exécution pour un sous-ensemble d'UML appelé fUML (foundational UML subset). Ce modèle d'exécution définit une sémantique précise non ambigüe facilitant la transformation de modèles, l'analyse, l'exécution de modèles et la génération de code. L'objectif de cette thèse est d'étudier et mettre-en-œuvre un moteur d'exécution de modèles UML pour les systèmes temps réel embarqués en explicitant les hypothèses portant sur la sémantique d'exécution des modèles à un niveau d'abstraction élevé afin de permettre l'exécution d'un modèle le plus tôt possible dans le flot de conception de l'application. Pour cela, nous avons étendu le modèle d'exécution défini dans fUML, en apportant une contribution sur trois aspects importants concernant les systèmes temps réel embarqués : * Gestion de la concurrence: fUML ne fournit aucun mécanisme pour gérer la concurrence dans son moteur d'exécution. Nous répondons à ce problème par l'introduction d'un ordonnanceur explicite permettant de contrôler les différentes exécutions parallèles, tout en fournissant la flexibilité nécessaire pour capturer et simuler différentes politiques d'ordonnancements. * Gestion du temps : fUML ne fixe aucune hypothèse sur la manière dont les informations sur le temps sont capturées ainsi que sur les mécanismes qui les traitent dans le moteur d'exécution. Pour cela, nous introduisons une horloge, en se basant sur le modèle de temps discret, afin de prendre en compte les contraintes temporelles dans les exécutions des modèles. * Gestion des profils : les profils ne sont pas pris en compte par ce standard, cela limite considérablement la personnalisation du moteur d'exécution pour prendre en charge de nouvelles variantes sémantiques. Pour répondre à ce problème, nous ajoutons les mécanismes nécessaires qui permettent l'application des profils et la capture des extensions sémantiques impliquées par l'utilisation d'un profil. Une implémentation de ces différentes extensions est réalisée sous forme d'un plugin Eclipse dans l'outil de modélisation Papyrus UML.