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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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17131
18/05/2017

Capteurs intelligents : quelles méthodologies pour la fusion de données embarquée?

A.VALADE

S4M

Doctorat : INSA de Toulouse, 18 Mai 2017, 121p., Président: T.CAMPS, Rapporteurs: V.BLONDEAU-PATISSIER, C.TANOUGAST, Examinateurs:R.FLOQUET , Directeurs de thèse: J.Y.FOURNIOLS, G.SOTO-ROMERO , N° 17131

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Abstract

The work detailed in this document is the result of a collaborative effort of the LAASCNRS in Toulouse and MEAS-France / TE Connectivity during a period of three years. The goal here is to develop a methodology to design smart embedded sensors with the ability to estimate physical parameters based on multi-physical data fusion. This strategy tends to integrate sensors technologies, currently dedicated to lab measurements, in low powered embedded systems working in imperfects environments. After exploring model oriented methods, parameters estimations and Kalman filters, we detail various existing solutions upon which we can build a valid response to multiphysical data fusion problematics, for linear systems with the Kalman Filter, and for non-linear systems with the Extended Kalman Filter and the Unscented Kalman Filter. Then, we will synthesize a filter for hybrid systems, having an linear evolution model and a non-linear measurement model. For example, using the best of the two worlds in order to obtain the best complexity/precision ratio. Once we selected the estimation method, we detail computing power and algorithm complexity problematics in order to find available optimizations we can use to assess the usability of our system in a low power environment. Then we present the developed methodology application to the UQS sensor, sold by TE Connectivity, study case. This sensor uses near infra-red spectroscopy to determine the urea concentration in a urea/water solution, in order to control the nitrogen-oxyde depolluting process in gasoline engines. After a design principles presentation, we detail the model we created in order to represent the system, to simulate its behavior and to combine the measurement data to extract the desired concentration. During this step, we focus on the obstacles of our model calibration and the deviation compensation, due to working conditions or to components aging process. Based on this development, we finally designed the hybrid models addressing the nominal working cases and the model re-calibration during the working duration of the product. After this, we presented obtained results, on simulated data, and on real-world measured data. Finally, we enhanced the methodology based on tabulated “black box” models which are easier to calibrate and cheaper to process. In conclusion, we reapplied our methodology to a different motion capture sensor, to compile all possible solutions and limits.

Résumé

Les travaux de thèse présentés ici sont le fruit d’un travail collaboratif effectué entre le LAAS-CNRS de Toulouse et l’entreprise MEAS-France / TE Connectivity sur une durée de trois ans. L’objectif est ici de mettre en place une méthodologie permettant la réalisation de capteurs embarqués intelligents capables d’estimer des paramètres physiques à partir de la fusion de données multi-physiques, cette stratégie devant permettre l’intégration de capteurs, jusqu’alors réservés aux mesures en laboratoire dans des environnement défavorables, au sein de systèmes embarqués disposant de faibles puissances de calculs. Après une exploration des méthodes liées à la modélisation, l’estimation de paramètres et les filtres de Kalman, nous détaillons différentes solutions existantes sur lesquelles nous appuyer pour répondre à la problématique de la fusion de données multi-physiques, pour les systèmes linéaires, avec le filtre de Kalman, les systèmes non-linéaires avec les filtres de Extended Kalman Filter, et Unscented Kalman Filter. Puis nous synthétisons un filtre pour les systèmes hybrides, présentant par exemple une évolution linéaire et une mesure non-linéaire, utilisant le meilleur des deux parties afin de tendre vers le meilleur compromis complexité/précision. Une fois la méthode d’estimation sélectionnée, nous nous attardons sur les problématiques liées à la puissance de calcul et à la complexité algorithmique, pour chercher les optimisations pouvant êtres mises en place afin de garantir le fonctionnement sur un système embarqué disposant d’une faible puissance de calcul. Nous exposons ensuite l’application de cette méthodologie sur le cas d’étude du capteur UQS, commercialisé par TE Connectivity, utilisant la spectroscopie proche infrarouge pour déterminer la concentration d’urée en solution dans le cadre de la régulation des systèmes de dépollution des oxydes d’azote sur les moteurs diesel. Après une présentation des principes de fonctionnement, nous présentons le modèle développé que nous avons dressé afin de représenter le système, de simuler son comportement et d’effectuer la fusion de mesures permettant d’extraire la concentration désirée. Au cours de cette étape, nous abordons les problématiques liées à la calibration du modèle, ainsi qu’à la compensation de dérives, qu’elles soient liées aux conditions d’utilisation ou au vieillissement des composants. En s’appuyant sur cette réflexion, nous dressons finalement les modèles hybrides nous permettant d’aborder les cas de fonctionnement nominaux, ainsi que les recalibrations du modèle au cours de la vie du produit. Après quoi, nous présentons les résultats obtenus, d’abord sur des données simulées, puis sur des données capturées sur un système réel, avant de proposer des pistes d’amélioration de la méthodologie en se basant sur des modèles tabulés en « boîte noire » qui permettent de faciliter l’étape de calibration tout en diminuant la charge de calcul. Finalement, nous généralisons la méthodologie par le biais d’une problématique de capture de mouvement, pour conclure sur les possibilités et les limites de la solution que nous avons proposée.

Mots-Clés / Keywords
Capteurs intelligents; Filtrage de Kalman; Fusion de données; Systèmes embarqués; Smart sensing; Kalman filter; Data fusion; Embedded systems;

139884
16112
17/06/2016

Conception, réalisation et intégration technologique d'un patch électronique: application à la surveillance des personnes âgées

B.HAJJINE

S4M

Doctorat : INSA de Toulouse, Juin 2016, 177p., Président: A.CAZARRE, Rapporteurs: D.LECLERCQ, C.TANOUGAST, Examinateurs: Y.LE MAOULT, Directeurs de thèse: J.Y.FOURNIOLS, C.ESCRIBA , N° 16112

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01355761

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Abstract

30 % of the French population being over the age of 60 years in 2035, the notion of accompaniment of the elderly dependence is a societal challenge with the imperative of risks prevention at home. It is in this context, with the arrival of the technologies of integration and the IoT that we undertook to conceive and realize a miniature electronic patch capable of geolocalization to trigger alarms in the case of fugue, fall or wandering. A challenge is the design of antennas on flexible substrates as key elements of the functions of geolocalization and charging by induction. A modeling work allowed the optimization of printed antennas presenting a good compromise integration / performance. A technological process in the cleanroom was developed to carry out bilayers antennas on flexible substrate (polyimide). Several prototypes of complete patch were tested and validated in the EHPAD center.

Résumé

30% de la population Française dépassant l’âge des 60 ans en 2035, la notion d’accompagnement de la dépendance des personnes âgées est un enjeu sociétal avec l’impératif de prévention des risques à domicile. C’est dans ce contexte, avec l’arrivée des technologies d’intégration et de l’IoT que nous avons entrepris de concevoir et réaliser un patch électronique miniature capable de géolocalisation pour déclencher des alarmes en cas de fugue, de chute ou de déambulation. Un enjeu est la réalisation d‘antennes sur substrats souples comme éléments clés des fonctions de géolocalisation et de recharge par induction. Un travail de modélisation a permis l’optimisation d’antennes imprimées présentant un bon compromis intégration/performance. Un procédé technologique en salle blanche a été développé pour réaliser des antennes bicouches sur substrat polyimide souple. Plusieurs prototypes de patch complet ont été testés et validés en centre d’EHPAD.

Mots-Clés / Keywords
Patch électronique; Antennes imprimées; Recharge sans fil; Modélisation FEM; Bande ISM; GPS; Protocole Qi; Couplage CEM; Personnes âgées; Chute; Fugue; Alarme; Electronic patch; Printed antennas; Wireless charging; FEM modeling; ISM Band; Qi protocol; EMC coupling; Elderly; Fall; Alarm;

136793
16261
05/04/2016

Conception et prototypage d’un système complet pour la surveillance du grain dans les silos de stockage

F.BETTAHAR

S4M

Doctorat : Université de Toulouse II - Jean Jaurès, 5 Avril 2016, 153p., Président: C.PIJOLAT, Rapporteurs: C.DEJOUS, R.REYNAUD, Examinateurs: A.NDIAYE, R.CHELLE, Directeurs de thèse: E.CAMPO, D.ESTEVE , N° 16261

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01376036

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Abstract

This thesis deals with new monitoring technologies applied to grain storage in silos. Since the first sedentary groups, cereals have been representing the main population and livestock’s staple food. Harvests are seasonal and their storage is therefore a vital necessity for the world’s population that will count 9 billion in 2050 compared to 7.3 billion today. In this problematic around monitoring of silos, insects represent the first grain postharvest pest causing considerable losses, in some cases up to 10% of the production. Several techniques and methods have been developed and implemented in order to face the danger of these pests. The most common method is the use of synthetic chemical insecticides, which have an obvious negative effect on both human health and the environment. This work is part of a cooperative program named ECOSILO, whose main objective is to design and prototype ecological alternatives to the systematic and massive use of insecticides. This is therefore a largely multidisciplinary approach, in which we were in charge to conceptualize a comprehensive monitoring system to: provide an earlier detection of infestations and put in place an automatic control of the attractive and insecticides diffusion. Our proposal is based on a logic of integrated pest management (IPM) and focuses on the prevention and early detection of possible infestations, in order to preserve stocks and avoid reaching high level of economic loss. Its fundamental originality lies in the proposition of a predictive model of the infestation development, which consists of coupling a thermal model of the silo with a biological model describing the insect’s growth. It is thus possible, with the support of additional meteorological data, to anticipate the development of insects and to initiate preventive alarms. This solution is accompanied by more specific electronic and computer monitoring developments in silos which are: A detection system at the entrance of silos; A supervision of the top of the hottest heap of grain; A monitoring of the heap of grain in its entire height. These developments are implementing multiple detection modes (temperature, humidity, acoustic probe, CO2). All these technical contributions are incorporated in the form of a comprehensive monitoring system equipped with a user interface that meets the requirements of the overall project ECOSILO. The functional checks have been performed in the laboratory and on real site. We conclude on the perspectives opened by this work.

Résumé

Cette thèse traite des nouvelles technologies de surveillance appliquées au stockage des grains en silos. Les céréales représentent depuis les premiers regroupements sédentaires l’aliment principal pour l’Homme comme pour le bétail. Les récoltes sont saisonnières et leur stockage est donc une nécessité vitale pour une population mondiale qui compte actuellement 7,3 Mds d'habitants et qui en comptera 9 Mds en 2050. Dans cette problématique autour de la surveillance des silos, les insectes représentent les premiers ravageurs de grain après récolte, ce qui entraîne des pertes considérables pouvant atteindre dans certains cas jusqu’à 10% de la production. Plusieurs techniques et méthodes ont été développées et mises en pratique afin de faire face au danger que représentent ces ravageurs. La méthode la plus répandue est l’utilisation des insecticides chimiques de synthèse dont la dangerosité, impactant tant sur la santé humaine que sur l'environnement, est plus qu'évidente. Ce travail de thèse s'inscrit dans un programme coopératif, nommé ECOSILO, dont l'objectif majeur est de concevoir et de prototyper des solutions alternatives écologiques à l'utilisation systématique et massive de produits insecticides. Il s'agit donc d'une démarche largement pluridisciplinaire dans laquelle nous avons eu en charge d'imaginer un système complet de surveillance : détection au plus tôt des infestations et commande automatique de la diffusion d'attractifs puis d'insecticides. Notre proposition est fondée sur une logique de protection intégrée et privilégie la prévention et la détection précoce d'éventuelles infestations, ce afin de préserver les stocks et d'éviter d'atteindre un stade de perte économique trop élevé. Son originalité fondamentale réside dans la proposition d'un modèle prédictif du développement de l'infestation qui consiste à coupler un modèle thermique du silo avec un modèle biologique décrivant la croissance des insectes. Il est ainsi possible, avec l'appui de données complémentaires météorologiques, d'anticiper le développement des insectes et de lancer des alarmes préventives. Cette solution est accompagnée de développements électroniques et informatiques plus spécifiques de la surveillance continue des silos : un système de détection à l'entrée des silos ; une surveillance sur la partie haute du tas de grain la plus chaude ; une surveillance du tas de grains dans toute sa hauteur. Ces développements mettent en oeuvre des modes de détections multiples (température, humidité, sonde acoustique, CO2). Toutes ces contributions techniques sont intégrées sous la forme d'un système complet de surveillance équipé d'une interface utilisateurs qui répond aux exigences du projet global ECOSILO. Les vérifications fonctionnelles ont été réalisées en laboratoire et sur site réel. Nous concluons sur les perspectives ouvertes par ce travail.

Mots-Clés / Keywords
Aide à la décision; Capteurs répartis; Modèle comportemental; Protection de céréales; Système de surveillance multi-sensorielle; Automated learning; Behavioral model; Cereal protection; Decision support; Distributed sensors; Multisensory monitoring system;

137415
16085
21/03/2016

Méthodes d’évaluation multidimensionnelle et de travail collaboratif pour le développement des technologies de prévention de la dépendance des sujets âgés

A.PIAU

S4M

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 21 Mars 2016, 173p., Président:, Rapporteurs: J.DUCHENE, O.GUERIN, Examinateurs: V.RIALLE, A.BENHAMOU, Directeurs de thèse: E.CAMPO, F.NOURHASHEMI , N° 16085

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01314968

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Abstract

Prévenir la dépendance des personnes âgées paraît une nécessité. Les nouvelles technologies pourraient améliorer la qualité du diagnostic médical, les stratégies d’intervention à domicile mais également l’utilisation des ressources humaines et matérielles. La mise en oeuvre de telles technologies nécessite une évaluation globale qui consiste à examiner les conséquences de l’usage d’une technologie sur les individus et sur la société. Il n’existe pas de recommandations pour définir les règles de cette évaluation, notamment en situation d’utilisation. Cette absence de réflexion multidimensionnelle précoce au cours du processus de développement technologie aboutit bien souvent à des outils non pertinents ou non applicables. L’objectif de ce travail de thèse est de mettre en place des grandes lignes de méthode d’évaluation multidimensionnelle et de travail coopératif dans le domaine de technologies appliquées à la santé et plus particulièrement à la prévention de la perte d’autonomie.

Abstract

Taking into account the loss of independence of the elderly should be preferred to merely coping with it. Home-deployed technological device could provide early and accurate diagnosis, alerts, and interventions and improve patient’s management efficiency. This could also preserve economical and human resources. Deployment of such technological devices for health supposes a rigorous and global evaluation. This consists of evaluating technology consequences on individuals but also on health system and society. There are no recommendations to define evaluation rules, no specific health norms, particularly in real life use. This lack of early multidimensional thinking during technology development often leads to irrelevant or unworkable tools. The main objective of this thesis is to build multidimensional working and evaluation methodology for health technologies and more precisely for technologies aiming to prevent loss of autonomy.

Mots-Clés / Keywords
Prévention; Fragilité; Dépendances; Technologies; Evaluation; Méthode; Frailty; Disability; Technology; Method;

136498
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