Le secteur agroalimentaire, de même que d'autres domaines d'application, tire un grand parti de la capacité de surveillance des réseaux de capteurs sans fil (WSN). Ce type d'applications devrait répondre aux besoins des utilisateurs tout en s'intégrant à différents systèmes d'information. De telles exigences pourraient être facilement réalisées dans le cadre d'une approche guidée par un modèle grâce à une phase de conception conceptuelle complète et efficace. Les approches actuelles basées sur des modèles permettent de modéliser des applications WSN en tenant compte de différentes configurations de communication et de traitement. Cependant, à notre connaissance, ils ne permettent pas une description complète et claire des données et des opérations d'agrégation qui leur sont appliquées.
La modélisation du comportement des données WSN est pertinente car elle permettrait d'évaluer la capacité d'une application à fournir les besoins de l'utilisateur, en outre, elle pourrait permettre une intégration transparente avec différents systèmes d'information centrés sur les données. Par conséquent, ce phd étudiera un profil UML pour un profil UML centré sur les données pour la conception de nœuds de capteurs sans fil à partir du point de vue de l'utilisateur capable de représenter les données collectées et fournies.
Nous appliquons et validons cette proposition sur les données de l'agrotechnopole.

The Agri-food sector, along with other application domains, obtain high benefits from the monitoring capacity of Wireless Sensor Networks (WSN). This kind of applications should supply the users’ needs while integrated with different information systems. Such requirements could be seamlessly achieved in a model-driven approach through a complete and effective conceptual design phase. Current model-driven approaches allow to model WSN applications considering different communication and processing configurations. However, to the best of our knowledge, they do not allow for a complete and clear description of the data and the aggregation operations applied to them.
Modelling WSN data behaviour is relevant since it would allow to evaluate the capacity of an application for supplying the user needs, moreover, it could enable a transparent integration with different data-centric information systems. Therefore, This phd will study a UML profile for a data-centric UML profile for the design of wireless sensor nodes from the user point-of-view capable of representing the gathered and delivered data.
We apply and validate this proposal on data of the agrotechnopole.

La robotisation de tâches complexes dans des environnements de grande dimension est un défis industriels majeurs. Ces tâches sont caractérisées par des interactions fortes avec des environnements incertains et dynamiques auxquels il faut s’adapter en temps réel, tant au niveau de la perception qu’au niveau de la commande. Les manipulateurs mobiles apparaissent naturellement comme des solutions aux problématiques liées au faible espace de travail des bras manipulateurs conventionnelles. En outre, l'utilisation d'un unique bras pour des tâches complexes est parfois insuffisante.Cette thèse propose donc d'aborder la coordination de manipulateurs mobiles à bras multiples, capables de tenir compte des flexibilités des objets manipulés.

The robotization of complex tasks in large-scale environments is a major industrial challenge. These tasks are characterized by strong interactions with uncertain and dynamic environments that must be adapted in real time, both in terms of perception and control. Mobile manipulators naturally appear as solutions to the problems related to the low working space of conventional manipulator arms. In addition, the use of a single arm for complex tasks is sometimes insufficient. This thesis proposes to approach the coordination of mobile manipulators with multiple arms, able to take into account the flexibilities of manipulated objects.

Aider ou assister efficacement l’opérateur humain dans son activité pour accroitre la production d’une part, et garantir sa sécurité d’autre part, est le cadre général de ce travail de recherche. En conduite automobile par exemple, de nombreux systèmes d’aide ou d’assistance ont été introduits dans les véhicules. Même si leur efficacité est réelle dans certaines situations, ces derniers présentent certains inconvénients (perte d’expertise, perte de conscience de la situation, phénomène de contentement, confiance, etc.).
Pour pallier à ces problèmes, il est nécessaire de développer des modèles humains en amont de la conception de systèmes d’assistances afin de rendre ces systèmes adaptatifs aux
particularités de leurs utilisateurs. Ainsi, ce sujet de thèse se propose de développer ces modèles humains et de les intégrer dans la chaine de décision du degré d’automatisation d’une machine de façon à rendre la coopération entre l’homme et la machine la plus efficace possible, et donc garantir des niveaux de performance et de sécurité élevés.

The framework of this research is to ensure human operator security on the one hand and increase the production on the other hand. A lot of driving assistance systems (DAS) were integrated in vehicles. Although their effectiveness is real in some situations, these systems have some disadvantages (loss of expertise, loss of situation awareness, contentment phenomenon, trust ...).
To relieve this problem, we propose to develop human models which can be use during the design of DAS in order to adapt these systems to the particularities of their users. Thus, this thesis proposes to develop these human models and integrate them in the decision process of the degree of automation of a technical system.

L'intelligence embarquée aujourd'hui sur les plateformes robotisées ne permet pas de solutionner certaines situations (présence d'obstacles imprévus, dysfonctionnement d’un composant physique, …). L'une des solutions à ce type de situation est de faire appel à l'expertise d'un opérateur humain. La question de recherche principale de ce sujet de thèse en découle: Dans le cas d'un opérateur distant, quelles représentations des informations issues de la situation donner à l'opérateur afin qu'il puisse gérer la situation ? Afin de répondre à cette question, il conviendra dans un premier temps de réaliser un diagnostic précis de la situation. L'intelligence embarquée devra donc être améliorée et complétée par les informations issues de systèmes indépendants de la plateforme dont dispose le système de production dans lequel elle évolue. Dans un deuxième temps, la phase de reprise en main par un opérateur distant sera étudiée. Elle permettra de définir les modes de reprise en main à mettre en oeuvre en fonction de la situation. Ces modes seront définis sur une échelle allant d'une prise de contrôle totale de la plateforme à une intervention humaine limitée à l’acceptation d’un mode de fonctionnement automatisé dégradé. Un site de test indoor permettant de faire évoluer différentes plateformes dans un contexte proche d'un site de production sera mis en place et utilisé afin d'évaluer les avancées réalisées dans le cadre de cette thèse.

The artificial intelligence of Automatic Guided Vehicle (AGV) is not able to solve some situations (unexpected obstacles, malfunction of physical components ...). One solution to this problem is to use the expertise of a human operator. The main research question of this thesis is: In the case of a remote operator, what information do we give to the operator about the situation in order to control it? First of all, we have to make a precise diagnosis of the situation to answer to this question. Secondly, the embedded intelligence must be improved and supplemented by information from the production system in which it operates. Thirdly, the phases of takeover which will be done by a remote operator have to be studied. Takeover modes will be defined on a scale ranging from a full takeover of the platform to a limited human intervention which will consist on an agreement of a degraded automated mode. An indoor test site (which will look like a production site) will be developed and used to assess the progress made in the context of this thesis.

L'objectif de cette thèse est de concevoir des protocoles contextuels adaptables aux besoins de différents sites de nature diverse (topologie, végétation, etc.). Pour l’adaptation des nœuds, nous proposons une nouvelle formalisation du contexte permettant d’intégrer les données hétérogènes issues du réseau à l’aide de plusieurs ontologies et d’inférer les choix de communication à base de règles.

The objective of this thesis is to design contextual protocols adaptable to the needs of various different kinds of sites (topology, vegetation, etc.). For the adaptation of the nodes, we propose a new formalization of the context for integrating heterogeneous data from the network using multiple ontologies and inferred choices based communication rules.

Les convois de véhicules automatiques ou semi automatiques en environnement ouverts nécessitent des techniques de perception et de contrôle adaptées qui du fait de la nature de l’environnement représentent un défi scientifique non encore résolu. C’est particulièrement le cas lorsqu’on aborde l’aspect sécurité de déplacement de ces véhicules qui doivent à la fois garantir leur sureté de fonctionnement et la sécurité des autres acteurs pouvant se trouver sur la scène. Cette thèse propose une méthode permettant à plusieurs véhicules d'assurer leur intégrité de localisation au moyen d'échanges d'information qualifiées.

Platoons of autonomous or semi-autonomous vehicles in open environments require appropriate perception and control techniques which represent an unresolved scientific challenge . This is particularly the case when dealing with the safety aspects of the displacement of these vehicles which must both guarantee their safety and the safety of other actors who may be on the stage. This thesis proposes a method allowing several vehicles to ensure their localization integrity by means of exchange of qualified informations.

L'objectif principal de ce phd est la définition et la mise en œuvre d'une nouvelle méthodologie participative de conception SOLAP (conception participative des modèles SDW et des méthodes de géovisualisation). Notre proposition devrait traiter la fusion des modèles d'exigences fonctionnelles (SDW et géovisualisation), les politiques d'accord et l'agrégation des modèles d'exigences fonctionnelles afin de faciliter la conception participative des modèles SOLAP.

The main objective of this phd is the definition and implementation of a new participative SOLAP design methodology (i.e. participative design of SDW models and geovisualization methods). Our proposal should handle versioning of functional requirements models (SDW and geovisualization), agreement policies, and aggregation of functional requirements models in order to facilitate the participative design of SOLAP models.

Alors que la quantité de boues résiduaires produites à l’échelle mondiale ne cesse d’augmenter, la gestion de ces boues est désormais devenue un enjeu sociétal majeur. Dans le cadre d’une politique de développement durable, son efficacité passe nécessairement par la réduction des volumes produits (via l’optimisation des procédés de traitement) et par une meilleure valorisation. Pour cela, les procédés ainsi que les outils mis en oeuvre pour traiter puis valoriser le matériau doivent être de plus en plus performants. Les traitements étant essentiellement basés sur des écoulements, cette performance accrue nécessite la mesure et la maîtrise des caractéristiques des boues résiduaires telles que la consistance et les propriétés d’écoulement. Cependant le matériau est complexe et ses propriétés rhéologiques varient selon sa composition. Ainsi, le principal critère utilisé pour déterminer sa consistance, la teneur en matière solide, s’avère limité puisque la boue la plus consistante n’est pas nécessairement celle qui contient le plus de matière solide. Un état de l’art sur le comportement rhéologique des matériaux non-Newtoniens en général et des boues résiduaires en particulier a montré l’intérêt de s’intéresser au rôle de la matière organique et de la thixotropie dans la variabilité des propriétés rhéologiques du matériau. Dans cet objectif, une méthodologie expérimentale a d’abord été développée pour s’assurer de l’obtention de résultats fiables. Cela a permis de montrer l’influence des procédures expérimentales sur les mesures rhéologiques et de définir une procédure expérimentale robuste garantissant la répétabilité et la reproductibilité des résultats obtenus. Puis, à partir de cette procédure expérimentale, il a été montré que les effets de la thixotropie n’affectent que les propriétés solides des boues, les propriétés liquides en étant indépendantes. De plus, cette approche a permis de mettre en évidence que le comportement thixotrope est intrinsèquement lié à la matière organique contenue dans les boues : plus la matière organique est élevée, plus les boues sont thixotropes. Ensuite, à partir de la matière solide et de la proportion de matière organique contenue dans le solide, un critère plus pertinent que la teneur en matière solide a été établi pour comparer les propriétés rhéologiques entre boues d’origines différentes. Ce critère, appelé consistance équivalente, s’avère suffisant pour tenir compte de l’influence de la composition sur les propriétés rhéologiques des boues. Enfin, selon la valeur de la consistance équivalente, il a été montré que le comportement rhéologique des boues résiduaires peut être considéré comme Newtonien, non-Newtonien simple (effets thixotropes négligeables) ou non-Newtonien avec des effets thixotropes.

Sludge management is a major issue as the production is increasing year after year while the solutions to reuse it are limited. In the context of sustainable management and circular economy, treatment processes need to be well controlled to pilot operating systems. Since treatment processes are essentially based on flowing properties, improving the efficiency requires the measurement and control of sludge rheology, among which viscous properties. However, sludge is complex material and its rheological properties highly dependent of its composition. The solid content, the most usual parameter considered to evaluate rheological properties, is quite limited as sludge consistency is not directly connected to the solid content. An in-depth state of the art review on non-Newtonian materials rheology with a focus on sewage sludge has underlined the role of organic matter and thixotropy in complex fluid rheological properties. In that purpose, an experimental methodology was defined to ensure reliable results. This allowed to highlight the impact of experimental setups on rheological measurements and to define a robust experimental methodology that ensures the repeatability and the reproducibility of the measurements. Then, thanks to this experimental methodology, it has been shown that thixotropy is a solid-like characteristic, viscous properties being independent of material history. In addition, this approach has made it possible to demonstrate that the thixotropic behavior is intrinsically connected to the organic matter content: the higher the organic matter, the more thixotropic the sludge. Moreover, from the solid matter and the ratio of organic matter in the solid, a criterion (more relevant than the solid content) has been established to compare the rheological properties between sludge of different origins. This criterion, called equivalent consistency, appears to be sufficient to take into account the impact of the composition on sludge rheological properties. Finally, it has been shown that the rheological behavior of sewage sludge can be considered as Newtonian, simple non-Newtonian (with negligible thixotropic effects) or non-Newtonian with thixotropic effects depending the value of the equivalent consistency.

Les problématiques de recherche abordées dans cette thèse concernent la conceptualisation, la modélisation et la commande générique des robots mobiles lors de leur évolution en milieux extérieurs et en présence de glissement pour des applications de suivi de précision. Ainsi, ce mémoire synthétise dans un premier temps les développements et résultats obtenus lors du suivi de trajectoire (localisation absolue), puis synthétise ensuite ceux obtenus lors de suivi de structure et de cible (localisation relative). Une dernière partie introduit un concept de plateforme robotique reconfigurable et sa commande associée pour adapter l’assiette et les dimensions du châssis en fonction de la topographie du terrain.Pour chaque application de suivi, ce mémoire présente un panel de lois de commande originales pour des robots différentiels, à un train et à deux trains directeurs. Chaque modalité de commande est présentée en quatre étapes : modélisation, estimation, commande et expérimentations. La première contribution majeure de la thèse concerne l’estimation du glissement. Cette dernière est adaptative et basée modèle. Elle intègre la modélisation cinématique étendue seule ou couplée à la modélisation dynamique du robot mobile pour assurer une estimation intègre quels que soient la vitesse, les phénomènes dynamiques rencontrés et la nature du sol. La seconde contribution majeure concerne le développement d’une stratégie de commande générique pour les robots mobiles. Cette stratégie est basée sur le principe de la commande en cascade (ou par backstepping) et est déclinée dans ce mémoire à travers un panel de lois de commande. Cette méthodologie de commande, lorsqu’elle est associée à l’observation du glissement précédent, permet d’obtenir des performances de suivi accrues quel que soit le contexte rencontré. L’ensemble des algorithmes ont été validés en simulation et/ou expérimentalement à l’aide de différentes plateformes robotiques en contextes réels.

This work is focused on the conceptualization, the modeling and the genericcontrol of mobile robots when moving in off-road contexts and facing slipperyterrains, especially for very accurate tracking and following applications. Thisthesis summarizes the proposed methods and the obtained results to addressthis research issue, first for path following applications (absolute localization)and then for edge and target tracking applications (relative localization). A finalsection of this thesis introduces an adaptive robotic concept and its associatedcontroller allowing the adaptation of the pose (position and orientation) of thechassis with respect to the environment topography.For each application, this thesis introduces a panel of innovative control algorithmsfor controlling skid-steering, two-wheel steering and four-wheel steeringmobile robots. Each algorithm of the panel is described, in this thesis, infour steps : modeling, estimation, control and experiments.The first main contribution of this thesis deals with the slippage estimation.The latter is adaptive and model-based. It also includes the extended kinematicmodeling only or together with the dynamic modeling of the mobile robot toensure a robust estimation of the slippage whatever the speed of the robot, encountereddynamic phenomena or even ground characteristics.The second main contribution deals with the design of a generic control approachfor mobile robots when path following and target tracking. The proposedstrategy is mostly based on a backstepping method and is illustrated inthis thesis via a panel of control laws. When combining this proposed controlapproach with the slippage estimation described above, significant improvedtracking and following performances are obtained (in term of stability, repeatability,accuracy and robustness) whatever the encountered context.All algorithms have been tested and validated through simulations and/orfull-scale experiments, indoor and off-road, with different mobile robots.

Le relief représente une perturbation de l’épandage, qui n’est pas encore gérée par les épandeurs centrifuges des engrais minéraux. Pour combler cette lacune, nous proposons de développer un nouveau dispositif de commande. Un modèle est d’abord développé afin d’avoir des cartes d’application mettant en exergue les erreurs d’application dans divers cas du relief. Il utilise une technique de mise à jour des conditions initiales des vols balistiques en tenant compte des angles d’inclinaison du tracteur à chaque point de la trajectoire. Les simulations effectuées montrent que les amplitudes de surdosage et de sous-dosage peuvent atteindre ±40%, et sont dues à la modification de la portée des particules comparée à la situation sur un terrain plat. Les reliefs irréguliers sont les plus affectés à cause de la différence d’inclinaison entre le tracteur et la surface d’épandage, tandis que seule la gravité agit dans le cas de reliefs réguliers. En tenant compte de ces résultats, un système qui commande l’inclinaison des disques est proposé car il est capable de corriger les écarts de portée des particules tout en ciblant les zones fortement affectées. Les lois de commande sont déduites de la résolution d’un problème d’optimisation. L’objectif y est de minimiser la somme des écarts quadratiques de portée d’un nombre limité de particules représentatives de la déformation de la nappe statique. Cette approche de correction permet de réduire les erreurs d’application à l’intervalle admissible de ±10%, même en présence de changements d’attitude de haute fréquence du tracteur.

Non-flat fields represent a disturbance for fertilizer spreading, that is not handled yet by centrifugal spreaders. To bridge this gap, a new control device is proposed. A model is build first to derive application rate maps highlighting application errors in several cases. It uses an updating technique of ballistic flights initial conditions, taking into account the tractor orientation. The simulations conducted show that overapplication and underapplication may reach ±40%, and that they stem from altered particles range compared to that on a flat field. Irregular fields are the most affected due to the difference between the tractor and spread surface inclination, while only the gravity acts on regular fields. These results allowed retaining a system based on discs inclination, because it can both correct the particles range and target the most affected areas. The control laws are deduced from solving an optimization problem. Its objective is minimizing the sum of quadratic range errors of a limited number of particles representative of the static the spread pattern deformation. This approach allows reducing the application errors to ±10%.

Les activités humaines produisent des eaux usées dont le traitement génère des boues d’épuration urbaines. Ces boues font l’objet de recherches visant à les transformer en produits à forte valeur ajoutée. Elles pourraient ainsi passer d’un statut de déchet fatal au statut de coproduit attendu à l’issue de l’épuration des eaux. Ce changement de paradigme a des conséquences sur l’évaluation environnementale par Analyse du Cycle de Vie (ACV) des produits « boue-sourcés ». La boue devient un coproduit attendu de la station de traitement des eaux et la charge environnementale liée à leur production doit pouvoir être répartie entre coproduits au moyen d’un facteur d’allocation. Cette thèse propose une construction mathématique de ce facteur d’allocation en combinant des paramètres « procédés » et « produits », intégrant de facto les relations causales entre conduite du procédé et obtention des produits, reflétant la réalité technologique du procédé. La résultante se présente sous la forme d’une matrice dont chaque élément associe, pour chaque donnée d’inventaire, un facteur d’allocation à chacun des coproduits générés. Appliquée à la production de fertilisants phosphatés boue-sourcés, l’ACV réalisée a permis de mettre en lumière la contribution majeure de l’étape de production par rapport aux étapes de traitement et valorisation de la boue. Cette méthodologie de construction d’un facteur d’allocation permet toutefois d’attribuer une charge environnementale à chacun des coproduits d’un système de production indivisible et peut également être utilisée de manière pertinente lors de l’évaluation environnementale des procédés de séparation de nature thermique, chimique ou physique.

Human activities produce wastewater that generates sludge, a waste recycled on agricultural soils or for energy recovery. Extensive research is currently undergone on sludge to develop processes that can convert it into products with high-added value. In this context, sludge could move from a fatal waste status to the status of an expected co-product of wastewater treatment. This paradigm shift has implications for the assessment of environmental impacts of "sludge-based" materials with Life Cycle Assessment. Indeed, sludge becomes an expected co-product from the wastewater treatment plant and the environmental burden of their production must be distributed among co-products by means of an allocation factor. This thesis aims at defining a mathematical construction of this allocation factor by combining process- and product-related parameters, integrating de facto the causal relationships between process operations and products generation and the technological reality of the process. The result is a matrix of which each element associates, for each inventory data, an allocation factor to each of the generated co-products. Applied to the production of sludge-based phosphate fertilizers, LCA highlights the major contribution of the production stage compared to the stages of treatment and recovery of the sludge. Nevertheless, the method developed within this thesis to allocate an environmental load to each co-products of an indivisible production system paves the way for a more coherent environmental assessment of waste-based products. This methodology can also be used effectively in the environmental assessment of thermal, chemical or physical separation processes.

In the future, agriculture and environment will rely on more and more heterogeneous data collected by wireless sensor networks (WSN). These data are generally used in decision support systems (DSS). In this dissertation, we focus on adaptive context-aware systems based on WSN and DSS, dedicated to the monitoring of natural phenomena. Thus, a formalization for the design and the deployment of these kinds of systems is proposed. The considered context is established using the data from the studied phenomenon but also from the wireless sensors (e.g., their energy level). By the use of ontologies and reasoning techniques, we aim to maintain the required quality of service (QoS) level of the collected data (according to the studied phenomenon) while preserving the resources of the WSN. To illustrate our proposal, a complex use case, the study of floods in a watershed, is described. During this PhD thesis, a simulator for context-aware systems which integrates a multi-agent system (JADE) and a rule engine (Jess) has been developed.Keywords: ontologies, rule-based inferences, formalization, heterogeneous data, sensors data streams integration, WSN, limited resources, DSS, adaptive context-aware systems, QoS, agriculture, environment.

A l’avenir, l'agriculture et l'environnement vont pouvoir bénéficier de plus en plus de données hétérogènes collectées par des réseaux de capteurs sans fil (RCSF). Ces données alimentent généralement des outils d’aide à la décision (OAD). Dans cette thèse, nous nous intéressons spécifiquement aux systèmes sensibles et adaptatifs au contexte basés sur un RCSF et un OAD, dédiés au suivi de phénomènes naturels. Nous proposons ainsi une formalisation pour la conception et la mise en œuvre de ces systèmes. Le contexte considéré se compose de données issues du phénomène étudié mais également des capteurs sans fil (leur niveau d’énergie par exemple). Par l’utilisation des ontologies et de techniques de raisonnement, nous visons à maintenir le niveau de qualité de service (QdS) des données collectées (en accord avec le phénomène étudié) tant en préservant le fonctionnement du RCSF. Pour illustrer notre proposition, un cas d'utilisation complexe, l'étude des inondations dans un bassin hydrographique, est considéré. Cette thèse a produit un logiciel de simulation de ces systèmes qui intègre un système de simulation multi-agents (JADE) avec un moteur d’inférence à base de règles (Jess).