Le Rim-Rotor Rotary Ramjet Engine (R4E) est un moteur très haute densité de puissance utilisant des statoréacteurs en rotation pour produire un couple à grande vitesse angulaire.Le design structurel d'une première génération de R4E est présenté dans ce mémoire ainsi qu'une validation expérimentale avec combustion haute température. Ces travaux s'imbriquent dans un programme de recherche où l'objectif ultime est de démontrer expérimentalement qu'il est possible de produire de la puissance positive de ce type de moteur. La structure principale du moteur est basée sur l'utilisation d'un Rim-Rotor, un anneau de Carbone-PEEK unidirectionnel, qui reprend partiellement le chargement des propulseurs en compression. Un moyeu en aluminium en une pièce inclut les propulseurs et supporte le système d'allumage inductif intégré à la structure. Ce dernier a été caractérisé indépendamment afin de connaître l'effet des paramètres tels la distance entre les électrodes sur la puissance et l'énergie des étincelles.Le concept final proposé pèse 76 g, ne contient que 5 pièces dans un assemblage unique et peut résister à une vitesse tangentielle de 330 m/s (120 krpm) au niveau des propulseurs lors d'une combustion d'hydrogène de 1 sec. Un autre concept présenté est conçu pour résister 560 m/s (200 krpm) pour des durées de combustion très courtes, sans échauffement significatif des composants. Un modèle structurel analytique est proposé et validé par un modèle numérique ainsi que des essais expérimentaux sans combustion réalisés jusqu'à 188 krpm sans rupture.Le prototype conçu pour la combustion est validé par rapport à ses paramètres de conception et une rupture des pales de turbine survient tel que prédit par le modèle couplé thermique-structurel numérique. Les recherches ont démontré que le concept d'un R4E est viable et qu'il a le potentiel d'atteindre une vitesse tangentielle de près de 1000 m/s en utilisant des matériaux disponibles aujourd'hui. Les dissimilitudes d'expansion thermique entre les composantes, la différence de rigidité entre les pièces de l'assemblage ainsi que le transfert de chaleur vers le Rim-Rotor ont été identifiés comme des considérations importantes pour les futurs concepts de R4E.

Le besoin de décarboniser le réseau électrique met l'accent sur la recherche de nouvelles ressources énergétiques renouvelables. Les systèmes de génération d'électricité à cycle de relaxation représentent notamment une classe intéressante de celles-ci. Un tel système doit retrouver périodiquement un état qui permet la production d'énergie, ce qui entraîne un cycle à deux phases : une phase de génération et une phase de récupération qui consomme l'énergie. Un de ces systèmes est celui de traction à base de cerf-volant, appelé le Kite Generator System (KGS). Il s'agit d'une solution proposée pour extraire l'énergie du vent stable et forte dans les hautes altitudes. Son principe de fonctionnement est d'entraîner mécaniquement un générateur électrique au sol en utilisant un ou plusieurs cerfs-volants captifs. Cette thèse porte sur l'optimisation et le contrôle du cycle de relaxation afin de maximiser la puissance moyenne produite par le système. Ainsi que l'Intégration du système sur le réseau électrique ou l'employer pour alimenter une charge isolée.

La thèse porte sur l'étude de générateurs utilisant un cerf-volant pour capter l'énergie éolienne. Ces systèmes permettent de générer de l'énergie éolienne sans avoir besoin de construire les pylônes et les fondations étant nécessaires pour construire une éoliennes classiques.Ces systèmes on commencé à être étudiés il y a une dizaine d'années, une vingtaine d'entreprises et à peu près autant d'universités étudient le problème. Il existe plusieurs types de générateurs étudiés mais jusqu'ici, aucun système n'a démontré que son concept est économiquement viable.La grande variété de systèmes étant étudiés fait penser aux débuts de l'aviation, ou toutes sortes de concepts ont été testés. Il a fallu environ 50 ans de développements de prototypes entre 1870 et 1910 pour que le principe de fonctionnement des avions se standardise autour de celui qui est est encore utilisé aujourd'hui. Pendant cette période, un grand nombre de concepts ont été testés et beaucoup d'erreurs ont étés faites au niveau de la conception du modèle, des techniques expérimentales utilisées et du management des projet.Les systèmes étudiés de génération d'énergie utilisant des cerf-volants tentent répondre à un même cahier des charges d'une vingtaine de façons différentes. Ceci fait penser que le concept de génération d'énergie n'a pas trouvé un principe de fonctionnement optimal et qu'il n'en est qu'à une phase de prospection de concepts.En cela, le récent essor des générateurs cerf-volants ressemble beaucoup au débuts de l'aviation. Nous avons donc cherché à comprendre les erreurs ayant été faites lors des débuts de l'aviation pour essayer de mieux comprendre les erreurs qui pourraient être faites avec les systèmes de générateurs cerf-volants.Cette étude a permis de fixer quelques règles de travail qui ont servi pour développer les prototypes mis au point pendant de thèse.Une soufflerie à été construite pour tester dans des environnements restreints plusieurs modèles de cerf-volants. Plusieurs objectifs ont été atteints pendant la thèse, entre autres le contrôle de la puissance générée par un cerf-volant volant en présence de rafales de vent et l'étude d'un plan de vol permettant au cerf-volant de rester en vol sans vent et sans utiliser d'énergie embarquée.Au total, 13 prototypes ont été mis au point pendant cette thèse, un brevet est en cours de dépôt et une entreprise utilisant les résultats de la thèse est en train d'être créée. / The PhD focuses on the study of electric generators using a kite to capture wind energy. These systems generate wind energy without having to build the towers and foundations are needed to build conventional wind turbines.These systems started being studied around ten years ago, twenty companies and nearly as many universities are studying the problem. There are several types of generators studied, but so far, none has demonstrated that the concept is economically viable.The variety of systems being studied is reminiscent of early aviation, because many kinds of different concepts were tested. It took about 50 years of development of prototypes between 1870 and 1910 for the principle of operation of aircraft got standardized around one that is still used today. During this period, a large number of concepts have been tested and many mistakes have made ​​on the model design, the experimental techniques and on the management of the project.The nowadays studied kite power systems tries to answer to the same specifications by around twenty different ways. This suggests that the concept of power generation has not yet found an optimal principle of functioning and that it is only at a phase of concepts exploration.The recent surge of kite power systems reminds of the early days of aviation. We sought to understand the mistakes that were made ​​during the early days of aviation to try to understand the mistakes that could be made with modern kite power systems.This study has set some guidelines that were used for developing the prototypes built during thesis .A wind tunnel was built for testing in simplified environments several models of kites. Several objectives were achieved during the thesis, including the control of the power generated by a kite flying in the presence of wind gusts and the study of a flight plan allowing the kite to stay in flight without wind and without the use of embedded energy.A total of 13 prototypes were developed during this thesis, a patent is being filed and a company using the results of the thesis is being created.

Ces dernières années, les paliers magnétiques sont de plus en plus exploités dans des applications diverses. Ils sont généralement utilisés dans des applications à très haute vitesse de rotation, dans lesquelles la minimisation des pertes est requise pour éviter la pollution d’un environnement sensible à la poussière ou à un lubrifiant pour supprimer les vibrations et pour limiter la maintenance. Cette thèse présente l’étude de deux configurations de centreurs magnétiques  centreurs magnétiques actifs et hybrides polarisés utilisés dans un système de stockage d’énergie de longue durée par volant d’inertie. Dans plusieurs applications utilisant les centreurs magnétiques, les pertes magnétiques sont généralement négligées. Dans une application de stockage d’énergie de longue durée, toute source de pertes doit être prise en compte lors du dimensionnement de ces derniers. Nous avons proposé une méthode de calcul de pertes dans les deux configurations de centreurs supportant un volant d’inertie soumis à une force radiale de balourd. Après comparaison il en est ressorti que le centreur magnétique hybride polarisé présente moins de pertes Joule que le centreur magnétique actif, tandis que les pertes magnétiques du centreur magnétique actif sont inférieures à celles des centreurs hybrides polarisés. Le temps de décharge du volant supporté par les centreurs actifs est très inférieur à celui du volant supporté par les centreurs hybrides polarisés. Pour une application de stockage de longue durée, l’utilisation des centreurs magnétiques polarisés selon notre étude semble la plus appropriée. De même, notre étude a montré que le stockage d’énergie par volant d’inertie favorise les hautes vitesses de rotation, et ce quelle que soit la configuration de centreur utilisée. En d’autres termes, le temps de décharge du volant augmente avec la vitesse maximale d’opération du volant. / Nowadays, magnetic bearings are increasingly used in diverse applications. They are generally used in high speed rotating systems where low losses are requested, to avoid dust or lubricant in sensitive environments, for vibration elimination and to limit maintenance. This thesis presents the study of two magnetic bearings configurations  radial active magnetic bearings and hybrid radial magnetic bearings used in a long term flywheel energy storage system. In several applications involving magnetic bearings, iron losses are usually neglected. In a long term energy storage application every single loss has to take into account when designing the latters. We have proposed a loss calculation method of two magnetic bearings configurations supporting a flywheel submitted to an unbalance radial force. After some comparisons it emerges that hybride radial magnetic bearings present lower copper losses than active radial magnetic bearings, while iron losses are lower in active magnetic bearings than in hybride magnetic bearings. The flywheel discharge time supported by radial active magnetic bearings is much lower than the one supported by hybrid radial magnetic bearings. According to our study, utilization of hybrid radial magnetic bearings in long term energy storage seems to be more appropriated. Likewise, our study has shown that no matter the configuration of magnetic bearing used, flywheel energy storage promote the high rotating speeds. In other words the discharge time increases with the flywheel’s maximum operating speed.

L'intérêt pour la modélisation et la commande des engins volants s'est accru de manière significative au cours de ces dernières années. La complexité et les possibilités des engins volants s'accroissent rapidement et la gamme des missions qu'elles doivent réaliser se développe. Cependant afin que les drones puissent atteindre ce potentiel, certains défis techniques doivent être surmontés, notamment l'étude et l'intégration de la flexibilité structurelle, la prise en compte des phénomènes aérodynamiques, et l'élaboration de stratégies de commandes adaptées. Le travail présenté s'inscrit dans ce cadre et porte spécifiquement sur deux types de drones : -Les plus légers que l'air : Application à la modélisation et commande d'un dirigeable souple. -Les plus lourds que l'air : Application à la modélisation et commande d'un quadrirotor flexible : le XSF. Nous présentons dans un premier temps un modèle global d'engins volants flexibles autonomes. On admet que ces objets volants subissent de grands déplacements et de petites déformations élastiques. Le formalisme utilisé est basé sur l'approche de Newton-Euler, approche souvent utilisée dans le cas d'objets volants rigides. Dans cette étude nous généralisons le formalisme de corps rigides existant en y incluant l'effet de la flexibilité, sans pour autant détruire la méthodologie globale, et ce au moyen d'une technique hybride lagrangienne-eulerienne. La flexibilité apparaît dans le système dynamique global par le moyen d'un nombre réduit de degrés de liberté supplémentaires issus d'une synthèse modale. Cette technique permet de faciliter par la suite l'élaboration d'algorithmes de commande et de stabilisation. Le phénomène des masses ajoutées est également pris en considération. Une méthode originale de traitement analytique de ce phénomène a été établie pour un corps flexible en grands mouvements. Elle est basée sur la notion de potentiel flexible, et sur le développement de l'énergie cinétique du fluide sous l'effet d'un mouvement global du corps flexible. Cette méthode a permis de mettre en évidence le couplage rigide-flexible dans la matrice des masses ajoutées pour un traitement global d'un dirigeable flexible. On présente aussi le modèle dynamique et aérodynamique du quadrirotor flexible XSF conçu au laboratoire IBISC et destiné à un concours interuniversitaire sur les microdrones. Une technique robuste " Backstepping " est réalisée pour la stabilisation du dirigeable flexible au voisinage d'un point cible. Et une stratégie de contrôle de PID a été proposée pour la stabilisation de l'XSF. La stratégie de commande est contrainte par l'impératif d'optimisation du rapport précision/portabilité, pour que les algorithmes développés puissent être intégrés dans l'informatique embarquée de ces engins volants. Une validation numérique est présentée à la fin du rapport.

Dans ce travail, nous avons premièrement développé et caractérisé des capteurs de flux optique robustes aux changements de conditions lumineuses inspirés par le système visuel de la mouche et mesurant la vitesse angulaire à l'aide de l'algorithme appelé "time of travel". En particulier, nous avons comparé les performances de capteurs mesurant visuellement la vitesse angulaire en intérieur et en extérieur. Les résultats de nos capteurs bio-inspirés ont aussi été comparés avec des capteurs de souris optique. Enfin, une nouvelle implémentation de l'algorithme "time of travel" a été proposée réduisant la charge de calcul de l'unité de traitement.Dans le cadre du projet européen CurvACE (Curved Artificial Compound Eye), nous avons aussi participé au développement du premier oeil composé courbé artificiel capable de mesurer le flux optique à haute vitesse sur une large gamme de lumière ambiante. En particulier, nous avons caractérisé ce capteur et montré sa capacité à mesurer le flux optique à l'aide de plusieurs algorithmes.Finalement, nous avons aussi développé un robot aérien miniature attaché appelé BeeRotor équipé de capteurs et de stratégies de vol imitant les insectes volants et se déplaçant de manière autonome dans un tunnel contrasté. Ce robot peut expliquer comment les abeilles contrôlent leur vitesse et leur position à l'aide du flux optique, tout en démontrant que des solutions alternatives existent aux systèmes couramment utilisés en robotique. Basé seulement sur des boucles de contrôle réagissant à l'environnement, cet hélicoptère a démontré sa capacité à voler de manière autonome dans un environnement complexe et mobile. / In this thesis, we first developed and characterized optic flow sensors robust to illuminance changes inspired by the visual system of the fly and computing the angular speed thanks to the "time of travel" scheme. In particular, we have compared the performances of sensors processing the visual angular speed based on a standard retina or an aVLSI retina composed of pixels automatically adapting to the background illuminance in indoor and outdoor environments. The results of such bio-inspired sensors have also been compared with optic mouse sensors which are used nowadays on Micro Aerial Vehicles to process the optic flow but only in outdoor environments. Finally, a new implementation of the "time of travel" scheme has been proposed reducing the computational load of the processing unit.In the framework of the European project CurvACE, we also participated to the design and development of the first curved artificial compound eye including fast motion detection in a very large range of illuminations. In particular, we characterized such sensor showing its ability to extract optic flow using different algorithms.Finally, we also developed a tethered miniature aerial robot equipped with sensors and control strategies mimicking flying insects navigating in a high-roof tunnel. This robot may explain how honeybees control their speed and position thanks to optic flow, while demonstrating alternative solution to classical robotic approach relying on ground-truth and metric sensors. Based only on visuomotor control loops reacting suitably to the environment, this rotorcraft has shown its ability to fly autonomously in complex and unstationary tunnels.

Le travail présenté dans cette thèse est consacré à la modélisation de la dynamique de locomotion des "soft robots", i.e. les systèmes multi-corps mobiles compliants. Ces compliances peuvent être localisées et considérées comme des liaisons passives du système,ou bien introduites par des flexibilités distribuées le long des corps. La dynamique de ces systèmes est modélisée en adoptant une approche Lagrangienne basée sur les outils mathématiques développés par l'école américaine de mécanique géométrique. Du point de vue algorithmique, le calcul de ces modèles dynamiques s'appuie sur un algorithme récursif et efficace de type Newton-Euler, ici étendu aux robots locomoteurs munis d'organes compliants. Poursuivant des objectifs de commande et de simulation rapide pour la robotique, l'algorithme proposé est capable de résoudre la dynamique externe directe ainsi que la dynamique inverse des couples internes. Afin de mettre en pratique l'ensemble de ces outils de modélisation, nous avons pris le vol battant des insectes comme exemple illustratif. Les équations non-linéaires qui régissent les déformations passives de l'aile sont établies en appliquant deux méthodes différentes. La première consiste à séparer le mouvement de l'aile en une composante rigide dite de "repère flottant" et une composante de déformation. Cette dernière est paramétrée dans le repère flottant par la méthode des modes supposés ici appliquée à l'aile vue comme une poutre d'Euler-Bernoulli soumise à la flexion et à la torsion. Quant à la seconde approche, les mouvements de l'aile n'y sont pas séparés mais directement paramétrés par les transformations finies rigides et absolues d'une poutre Cosserat. Cette approche est dite Galiléenne ou "géométriquement exacte" en raison du fait qu'elle ne requiert aucune approximation en dehors des inévitables discrétisations spatiale et temporelle imposées parla résolution numérique de la dynamique du vol. Dans les deux cas,les forces aérodynamiques sont prises en compte via un modèle analytique simplifié de type Dickinson. Les modèles et algorithmes résultants sont appliqués à la conception d'un simulateur du vol, ainsi qu'à la conception d'un prototype d'aile, dans le contexte du projet coopératif (ANR) EVA.

Le travail présenté dans cette thèse est consacré à la modélisation de la dynamique de locomotion des "soft robots", i.e. les systèmes multi-corps mobiles compliants. Ces compliances peuvent être localisées et considérées comme des liaisons passives du système,ou bien introduites par des flexibilités distribuées le long des corps. La dynamique de ces systèmes est modélisée en adoptant une approche Lagrangienne basée sur les outils mathématiques développés par l’école américaine de mécanique géométrique. Du point de vue algorithmique, le calcul de ces modèles dynamiques s’appuie sur un algorithme récursif et efficace de type Newton-Euler, ici étendu aux robots locomoteurs munis d’organes compliants. Poursuivant des objectifs de commande et de simulation rapide pour la robotique, l’algorithme proposé est capable de résoudre la dynamique externe directe ainsi que la dynamique inverse des couples internes. Afin de mettre en pratique l’ensemble de ces outils de modélisation, nous avons pris le vol battant des insectes comme exemple illustratif. Les équations non-linéaires qui régissent les déformations passives de l’aile sont établies en appliquant deux méthodes différentes. La première consiste à séparer le mouvement de l’aile en une composante rigide dite de "repère flottant" et une composante de déformation. Cette dernière est paramétrée dans le repère flottant par la méthode des modes supposés ici appliquée à l’aile vue comme une poutre d’Euler-Bernoulli soumise à la flexion et à la torsion. Quant à la seconde approche, les mouvements de l’aile n’y sont pas séparés mais directement paramétrés par les transformations finies rigides et absolues d’une poutre Cosserat. Cette approche est dite Galiléenne ou "géométriquement exacte" en raison du fait qu’elle ne requiert aucune approximation en dehors des inévitables discrétisations spatiale et temporelle imposées parla résolution numérique de la dynamique du vol. Dans les deux cas,les forces aérodynamiques sont prises en compte via un modèle analytique simplifié de type Dickinson. Les modèles et algorithmes résultants sont appliqués à la conception d’un simulateur du vol, ainsi qu’à la conception d’un prototype d’aile, dans le contexte du projet coopératif (ANR) EVA. / The objective of the present work is to model the locomotion dynamics of "soft robots", i.e. compliant mobile multi-body systems. These compliances can be either localized and treated as passive joints of the system, or introduced by distributed flexibilities along the bodies. The dynamics of these systems is modeled in a Lagrangian approach based on the mathematical tools developed by the American school of geometric mechanics. From the algorithmic viewpoint, the computation of these dynamic models is based on a recursive and efficient Newton-Euler algorithm which is extended here to the case of robots equipped with compliant organs. The proposed algorithm is compatible with control, fast simulation and real time robotic applications. It is able to solve the direct external dynamics as well as the inverse internal torque dynamics. The modeling tools and algorithms developed in this thesis are applied to one of the most advanced cases of compliante locomotion i.e. the flapping flight MAVs bio-inspired by insects. The nonlinear equations governing the passive deformations of the wing are derived using two different methods. In the first method, we separate the wing movement into a rigid component (which corresponds to the movements of a "floating frame"), and a deformation component. The latter one is parameterized in the floating frame using the assumed modes approach where the wing is considered as an Euler-Bernoulli beam undergoing flexion and torsion deformations. Regarding the second method, the wing movements are no longer separated but directly parameterize dusing rigid finite absolute transformations of a Cosserat beam. This method is called Galilean or "geometrically exact" because it does not require any approximation apart from the unavoidable spatial and temporal discretizations imposed by numerical resolution of the flight dynamics. In both cases, the aerodynamic forces are taken into account through a simplified analytical model. The resulting models and algorithms are used in the context of the collaborative project (ANR) EVA to develop a flight simulator, and to design wing prototype.