identifier: Lefoul, J.-B. (2019). Performance Assessment and Improvement for Cache Predictability in Multi-Core Based Avionic Systems  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes avioniques sont parmi les systèmes les plus critiques. Une erreur d'exécution d'un de ces systèmes peut avoir des conséquences assez catastrophiques jusqu'à un accident mortel. Afin de contrôler au maximum l'exécution de ces systèmes et d'utiliser des technologies établies, ces derniers sont en grande majorité des systèmes munis d'un processeur à un seul coeur. Il y a donc un seul flot d'exécution, ce qui permet d'avoir plus de déterminisme que sur un système multicoeur avec plusieurs flots d'exécution en parallèle. Cependant, les fournisseurs de processeurs délaissent les systèmes single-core afin de se concentrer sur les systèmes multicoeurs qui sont plus demandés. Les concepteurs de systèmes avioniques doivent donc s'adapter à ce changement d'offre. La question qui se pose est donc la suivante: comment limiter au maximum la baisse du déterminisme qu'apportent les systèmes multicoeurs dans le cadre des systèmes avioniques? Dans le cadre de ce projet de recherche, nous nous sommes intéressés aux systèmes avioniques partitionnés et en particulier aux systèmes d'exploitation temps-réels qui gèrent les ressources et l'exécution des applications du système. La revue de littérature nous a montré plusieurs impacts que peuvent avoir les systèmes multicoeurs sur le déterminisme de l'exécution des applications. L'influence d'une application sur l'exécution d'une autre est communément appelée interférence. Après avoir passé en revue les causes connues de ces interférences, nous nous sommes concentrés sur les mémoires caches, qui exercent la plus grosse influence sur le déterminisme des systèmes en termes de temps d'exécution. Une des solutions existantes pour réduire les interférences dans les mémoires cache est de verrouiller des données dans le cache afin qu'elles ne soient pas évinçables, cette technologie est connue sous le nom de "cache locking". La question qui se pose est donc de comment choisir les données à verrouiller dans le cache. Nous proposons donc un framework capable de profiler les accès mémoire lors de l'exécution d'un système. Le framework est également muni d'un simulateur de cache, ce qui nous permet de prévoir le comportement de la mémoire cache suivant les configurations qu'on lui donne. Un algorithme peut donc tirer profit des informations qu'offre le framework. Nous avons validé notre approche en implémentant dans notre framework un algorithme de sélection d'adresses à verrouiller dans le cache. Nous obtenons, comme prévu, une réduction de fautes de cache dans les caches privés et une hausse de déterminisme en temps d'exécution. Cela met bien en évidence que notre solution contribue à la réduction d'interférences au niveau du cache (plus de 25%).  ABSTRACT: Avionics are highly regulated systems and must be deterministic due to their criticality. There is no place for error, a simple error in the system can have catastrophic consequences. Singlecore systems have a single processor running, hence only one execution flow, making them easily predictable in execution, this is why avionics are mainly single-core systems today. However, processor manufacturers are letting down single-core processors to focus only on multicore processors manufacturing. Avionics systems are thus compelled to transition from single-core to multicore architectures. Mechanisms to mitigate the loss of determinism when using multicore architectures must be developed to take profit from the parallelism offered by them. We focus this thesis on partitioned avionics systems and more precisely Real-Time Operating Systems (RTOS) in avionics. We can find in the literature sources of interference between two applications in multicore systems leading to execution predictability loss. After studying these interferences, we decided to focus on cache-related interferences, since they are the ones with the greatest impact on execution predictability of the system. One solution to mitigate these types of interferences is cache locking: lock a data in the cache making it unevictable. To use this method, we must choose which data to lock in the cache, a problem for which this thesis proposes a solution. We propose a framework that allows to analyze application behavior thanks to execution traces. It also gives cache information through an integrated cache simulator. To validate our framework, we integrated a cache locking selection algorithm in it. The algorithm computes a list of data to lock in the cache and assesses its performance using the framework's cache simulator. When running tests through our framework, we indeed have an improvement in execution predictability and a reduction of interference (over 25%) after locking data in the cache.


identifier: Chabin, V. (2019). Caractérisation des typologies d'utilisateurs d'un service de taxis électriques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les introductions répétées de nouveaux services de mobilité́ à la demande à partir de la fin des années 2000 ont forcé l'industrie du taxi à se réinventer. Active de 2015 à 2019, l'entreprise Téo Taxi a opéré à Montréal une flotte de taxis électriques. Une des particularités de Téo Taxi était d'offrir à ses clients la possibilité́ de commander un taxi par l'intermédiaire d'une application mobile. Plus que de modifier l'expérience client, cette technologie permet de caractériser le comportement des utilisateurs de ce service de taxis. Si ce type d'analyse sur les usagers est depuis longtemps fait pour d'autres modes de Transport comme le transport collectif avec l'utilisation des données de carte à puce, il était jusqu'à présent impossible de le faire pour le taxi.  ABSTRACT: ABSTRAT:Repeated introductions of new mobility services such as Transportation network companies since the late 2000s forced the taxi industry to reinvent itself. Active from 2015 to 2019, Téo Taxi operated a fleet of electric taxis in Montreal. One particularity of Téo Taxi is that a trip can be ordered by the customers via a mobile app. More than improving the customer experience, this technology is an opportunity to explore and characterize Téo Taxi users' behaviour. While this type of user analysis has long been done for other modes of transportation such as public transportation with the use of smart card data, it has not been possible for the taxi due to the lack of data.


identifier: Pedroli, F. (2019). Optimisation du déséquilibre de phase sur un réseau de distribution électrique grâce à de la gestion de la demande  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours de cette recherche, nous avons cherché à savoir dans quelle mesure le contrôle de la demande pouvait être utile afin de faire face au problème de déséquilibre de phase sur un réseau de distribution électrique. Le déséquilibre de phase est un phénomène qui apparait sur un réseau électrique en raison du passage du courant triphasé en courant monophasé. L'électricité est généralement transportée en triphasé car cela engendre moins de perte, augmente la puissance transmise et permet d'avoir une puissance constante dans le temps. Cependant, de nombreux appareils électriques, notamment dans le secteur résidentiel, fonctionnent avec un courant monophasé. Il est donc nécessaire de réaliser un passage entre les deux types de courant. Cette transformation peut engendrer un déséquilibre de phase qui va entrainer des pertes électriques supplémentaires ainsi qu'endommager certains appareils électriques du réseau. Ce déséquilibre est notamment lié à une différence de consommation entre les différents acteurs du réseau. Le contrôle de la demande, est le fait de pouvoir contrôler la manière de consommer d'un client. Cela peut se faire prinicpalement de deux manières. La première est de modifier le prix de l'électricité pour le consommateur en fonction de l'heure de la journée : l'opérateur de réseau facture l'électricité plus chère quand il a intérêt à avoir une faible consommation et moins chère quand il a intérêt à avoir une consommation importante. La deuxième méthode est de contrôler directement différents appareils électriques tels que le chauffage ou le chauffe-eau pour lesquels il est possible de modifier quand ils chauffent, ou une machine à laver ou un lave-vaisselle pour lesquels il est possible de contrôler à quel moment de la journée ils se mettent en route. L'objectif de cette recherche a été de comprendre dans quelle mesure il est possible d'utiliser le contrôle de la demande afin de réduire le déséquilibre de phase sur un réseau de distribution. Pour ce faire, nous avons développé une méthode d'optimisation du déséquilibre de phase via la gestion de la consommation. Une des difficultés avec le déséquilibre est qu'il est très compliqué à estimer, notamment du fait qu'il dépend d'énormément de facteurs différents. Pour cette raison, nous avons décidé d'utiliser un simulateur de réseau afin d'estimer sa valeur. Ceci nous assure d'avoir une estimation précise du déséquilibre, mais en contre partie, nous oblige à utiliser des outils d'optimisation de boîte noire. Ce sont des méthodes qui font de l'optimisation en supposant ne rien savoir de la fonction à optimiser.  ABSTRACT: This research has been led in order to evaluate to which point demand response can be used to answer the phase unbalance issue on a distribution network. Electric grids have changed in recent years and will continue to change in what is called smart grids. One of the main difference with conventional grids is that it is now possible to have a two-way communication between producers and consumers. As before, consumers consume electricity and therefore ask the utility to provide enough electricity for their consumption. However, it is now possible for the utility to modify the consumption of their consumers. There are mainly two solutions to do so. The first one is to modify the cost of electricity through time. By setting a high price when the consumption is inconvenient for the utility, and a low price when it is easier to satisfy, it is possible to modify the global consumption. The other solution is to directly be able to modify the use of devices. For example, it can be by controlling heating or water-heaters by modifying the temperature of a room, or by choosing at which moment to turn on a washing machine or a dishwasher. Phase unbalance is phenomenon that exists on electric grids because of the transformation from three-phase to single phase current. Electricity is usually transported with three-phase current because it limits ohmic losses ans it assures a constant power through time. However, most of electric devices in the residential sector require single phase current. Therefore, it is necessary to have a transformation between the two different currents. The issue is that transformation can create phase unbalance, which leads to losses and damage electric devices of the grid. The origin of this unbalance is, in particular, a difference of consumption between the different customers of the grid. The objective of this research has been to understand if demand response could be an answer to the phase unbalance issue. To do so, we have developed a method to minimize phase unbalance on a distribution grid. We have faced two main difficulties to do so. The first one is that it is difficult to easily evaluate and that is depends of multiple factors. Therefore, we have chosen to evaluate it with a simulator, which assures us to have a strong estimation of what we are optimizing. The inconvenient of this solution is that we do not have access to a literal form of phase unbalance, which means doing black-box optimization. The second issue is that black-box optimization algorithm are usually designed for problems with up to 20 variables whereas the system we want to be able to solve has nearly 9,000 variables. Therefore, we had to develop our own method, based on the Nelder-Mead heuristic, to deal with such an important number of variables.


identifier: Lemieux, J. (2019). Propriétés de transfert de charge des tannins pour des applications en stockage d'énergie  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En 2019, le gouvernement du Canada a déclaré l'urgence climatique pour répondre aux problèmes causés par le réchauffement climatique, généré en partie par la demande croissante en énergie. Pour réduire l'empreinte carbone due à la dépendance aux centrales au gaz et au charbon, les pays se tournent vers les sources d'énergie renouvelable. Un des problèmes est que ces sources alternatives ont tendance à être intermittentes, ce qui nécessite la mise au point de nouveaux systèmes de stockage d'énergie. Un autre défi est la génération de déchets électroniques résultant de l'utilisation de plus en plus répandue de dispositifs électroniques. Une solution à ces problèmes est le développement de nouveaux systèmes de stockage d'énergie électrochimique organiques, comprenant les supercondensateurs, qui peuvent être efficaces, abordables et respectueux de l'environnement. Les tannins, métabolites secondaires des grandes plantes et facilement extraits des déchets de l'industrie forestière, seront explorés dans ce mémoire en tant que matériau actif dans les applications de stockage d'énergie. Les tannins sont composés de polyphénols pouvant s'oxyder en quinones. Le comportement électrochimique des tannins sera étudié pour deux molécules représentatives de cette famille, l'acide tannique et le (+)-catéchine. Une stratégie pour augmenter la capacité des systèmes de stockage d'énergie est l'ajout de molécules redox organiques à l'électrode ou à l'électrolyte. La première partie de ce travail examine cinq méthodes différentes de dépôt de tannins sur des électrodes en papier carbone pur (BareCP) : le dépôt par immersion dans une solution tampon, le dépôt par fixation des tannins par une membrane à échange de protons, le dépôt par fixation à l'électrode d'un réseau métal-phénolique utilisant la dopamine comme adhésif et par un dépôt en milieu acide. Chaque méthode est évaluée qualitativement pour la stabilité des tannins, l'adhérence des tannins sur l'électrode, l'impact sur l'environnement et l'augmentation de la capacité. La méthode optimale est sélectionné pour l'évaluation électrochimique des tannins et appliquée à la fabrication d'un supercondensateur. Il semble que le dépôt en milieu acide donne les résultats les plus cohérents et elle a été choisie pour poursuivre une analyse électrochimique dans le chapitre suivant. L'application galvanostatique d'un courant sur l'électrode modifie sa composition chimique de surface et sa porosité, ce qui entraîne une augmentation des performances de l'électrode. Les électrodes qui ont subi ce processus sont dites activées et sont désignées par l'acronyme AcCP. Pour comprendre les processus d'activation et de déposition, des tannins ont été déposés sur des électrodes en papier carbone pur (BareCP/TA et BareCP/Ctn) et sur des électrodes activées (AcCP/TA et AcCP/Ctn). Un troisième cas est présenté lorsque le dépôt et l'activation ont lieu simultanément (AcTACP et AcCtnCP).  ABSTRACT: In 2019, the Government of Canada declared a climate emergency to respond to the problems caused by global warming, generated partly by the increasing demand for energy. To reduce the carbon footprint due to reliance on gas and coal power plants, countries are turning to renewable energy sources. One challenge is that these alternative sources tend to be intermittent, hence necessitating the development of new energy storage systems. Another challenge is the electronic-waste generation from the increasingly ubiquitous use of electronic devices and their powering elements. One solution to these challenges is the development of novel organic electrochemical energy storage systems, that include supercapacitors, which can be efficient, affordable and environmentally friendly. Tannins, which are secondary metabolites in the higher plants and readily extracted from forest industry waste, will be explored in this thesis as an active material in energy storage applications. Tannins are made of polyphenols that can oxidize to quinones; to explore the electrochemical behavior of tannins, two representative molecules of this family are studied, tannic acid and (+)-catechin. One strategy to increase the capacity of energy storage systems has been the addition of organic redox molecules to the electrode or the electrolyte solution. The first part of this work examines five different deposition methods of tannins on pure carbon paper electrodes (BareCP): (a) buffer solution immersion deposition, (b) proton exchange membrane fixation, (c) immobilizing the tannins within a conductive polymer, (d) forming a metal-phenolic network using dopamine as an adhesive for the network and (e) deposition in an acid medium. Each method is qualitatively assessed for tannin stability, adhesion of tannins on electrode, environmental impact, and magnitude of increase in capacity; the optimal method is selected for electrochemical evaluation of tannins and applied to make a functional supercapacitor device. It appears that deposition in acidic medium gives the most consistent results and was chosen for electrochemical analysis continued in the next chapter. The galvanostatic application of a current to the electrode changes its chemical composition and surface porosity resulting in an increase in the performance of the electrode. The electrodes that have undergone this process are said to be activated and they are referred to by the acronym AcCP. To understand the activation processes, tannins were deposited on pure carbon paper electrodes (BareCP/TA and BareCP/Ctn) and on activated electrodes (AcCP/TA and AcCP/Ctn). A third case is presented where deposition and activation occurs simultaneously (AcTACP and AcCtnCP).


identifier: Baghalizadeh Moghadam, N. (2019). Algebraic Dynamic Fault Tree Analysis for Avionic Systems  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les analyses par arbres de défaillance se basent sur une représentation graphique des événe-ments probabilistes qui peuvent engendrer la panne d'un système quelconque. Dans l'analyse traditionnelle, les événements sont considérés comme étant statistiquement indépendants et sont reliés entre eux par la logique combinatoire. L'arbre de défaillance permet de déterminer les relations existantes entre les diﬀérents événements et leurs diﬀérents modes de fonctionnement, de façon à déduire analytiquement une probabilité de panne du système. A chaque événement est associé un taux de panne. Les portes représentant les relations de la logique combinatoire : AND, OR,...etc, sont incapables de représenter convenablement la relation entre diﬀérents événements dont la séquence d'apparition est importante. Nous avons alors aﬀaire à un arbre de défaillance dit ”dynamique” qui ne peut être modélisé sans le recours de portes logiques dynamiques. L'arbre de défaillance dynamique est alors modélisé à partir de portes dynamiques et de portes logiques standards ou statiques. Parmi les portes dynamiques les plus utilisées, on retrouve la porte priorité-AND (PAND), la porte séquentielle (SEQ), la porte de rechange ou en attente (SPARE) et la porte de dépendance fonctionnelle (FDEP). Ces portes permettent de conceptualiser un arbre de défaillance entre des événements ayant une certaine causalité. Au cours des dernières décennies, plusieurs accidents d'avion ont été rapportés dont la cause était reliée au système de pilotage. La modélisation du système de pilotage par un arbre de défaillance dynamique est un bon moyen d'évaluer la probabilité de panne et d'améliorer la robustesse du système. Ce mémoire porte sur la conception d'un arbre de défaillance dynamique pour un système avionique simple. Une méthode algébrique est utilisée pour calculer la probabilité de panne du système global. Des théorèmes mathématiques sur les portes dynamiques sont utilisés pour développer un modèle Matlab qui calcule les diﬀérentes probabilités de panne des sous-systèmes et la probabilité globale. Comparé aux méthodes traditionnelles de résolution des arbres de défaillance dynamique, soient les méthodes Monte-Carlo et les chaines de Markov, la méthode algébrique proposée dans ce travail est beaucoup plus simple à implémenter et demande moins de temps de calcul, tout en conservant une précision semblable sur les résultats.  ABSTRACT: Fault Tree Analysis (FTA) is a method mainly based on a graphical representation of dif-ferent combinations of basic events which result in a Top Event (TE). In the traditional analysis, the TE occurrences are logically investigated by considering all possible events sta-tistically independent implementing logical Boolean gates. A fault tree is used to determine the operational relationship among diﬀerent components under diﬀerent modes to derive an analytical expression giving the probability of failure. Since traditional logical gates, such as AND, OR, etc., are not capable to demonstrate the dynamic behavior of failure mecha-nisms in a system with dependent events and failures, a Dynamic FTA (DFTA) is used as a promising method. A DFTA employs dynamic gates in its fault tree to represent a sequential notation for the system failures by considering the order of occurrence and diﬀerent com-binations of basic events. The dynamic relationships between basic events can be analyzed using DFT, whereas the traditional static FT expresses only the probability of failure as a function of basic event failure rates. A DFT has at least one dynamic gate along with a combination of static gates such as AND (·), OR (+), and voting gates. The most commonly used dynamic gates in DFTA are; the priority AND (PAND) gate, the sequence enforcing (SEQ) gate, the standby or spare (Spare) gate, and the functional dependency (FDEP) gate. Dynamic gates in fault trees provide a conceptually simple modeling framework to represent system-level Failure in terms of interactions between component failures through basic events relationships. Some fatal risks in ﬂight control are typically due to unforeseen failures in diﬀerent sections of the systems, particularly, in ﬂight control hardware and software systems. Modeling them necessitates a reliable quantitative analysis such as FTA that dynamically predicts faults in the related components. The use of dynamic gates enables the analysis to be more dependable and accurate compared to conventional FTA. This thesis investigates the design of a reliable DFT for an avionic system by taking into account the least reliable ﬂight components. An algebraic method for solving a DFT with a promising algorithm is demonstrated to determine the failure probability of the aircraft which is referred to as the top event (TE) based on the relationships between many basic events. To this end, using temporal operators and some related theorems, the behavioral model of the dynamic gates and the subtrees in the DFT are determined. Using the obtained behavioral models, the probabilistic models of the dynamic gates and subtrees in the DFT are determined. Finally, the total probability of failure is calculated through algebraic analysis of the subtrees in the structure and their individual failure probabilities. Compared to traditional methods, such as Monte Carlo simulations and Markov analysis, our proposed algebraic method is simpler to implement with lower computational work load and less computer intensive to solve a DFT rapidly and accurately.


identifier: Azizi, A. (2019). Using the Fringe Field of MRI Scanner for the Navigation of Microguidewires in the Vascular System  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le traitement du cancer, la prévention des accidents vasculaires cérébraux et le diagnostic ou le traitement des maladies vasculaires périphériques sont tous des cas d'application d'interventions à base de cathéter par le biais d'un traitement invasif minimal. Cependant, la pratique du cathétérisme est généralement pratiquée manuellement et dépend fortement de l'expérience et des compétences de l'interventionniste. La robotisation du cathétérisme a été étudiée pour faciliter la procédure en augmentant les niveaux d'autonomie par rapport à cette pratique clinique. En ce qui concerne ce problème, un des problèmes concerne le placement super sélectif du cathéter dans les artères plus étroites nécessitant une miniaturisation de l'instrument cathéter / fil de guidage attaché. Un microguide qui fonctionne dans des vaisseaux sanguins étroits et tortueux subit différentes forces mécaniques telles que le frottement avec la paroi du vaisseau. Ces forces peuvent empêcher la progression de la pointe du fil de guidage dans les vaisseaux. Une méthode proposée consiste à appliquer une force de traction à la pointe du microguide pour diriger et insérer le dispositif tout en poussant l'instrument attaché à partir de l'autre extrémité n'est plus pratique, et à exploiter le gradient du champ de franges IRM surnommé Fringe Field Navigation (FFN ) est proposée comme solution pour assurer cet actionnement. Le concept de FFN repose sur le positionnement d'un patient sur six DOF dans le champ périphérique du scanner IRM afin de permettre un actionnement directionnel pour la navigation du fil-guide. Ce travail rend compte des développements requis pour la mise en oeuvre de la FFN et l'étude du potentiel et des possibilités qu'elle offre au cathétérisme, en veillant au renforcement de l'autonomie. La cartographie du champ de franges d'un scanner IRM 3T est effectuée et la structure du champ de franges en ce qui concerne son uniformité locale est examinée. Une méthode pour la navigation d'un fil de guidage le long d'un chemin vasculaire souhaité basée sur le positionnement robotique du patient à six DOF est développée. Des expériences de FFN guidées par rayons X in vitro et in vivo sur un modèle porcin sont effectuées pour naviguer dans un fil de guidage dans la multibifurcation et les vaisseaux étroits. Une caractéristique unique de FFN est le haut gradient du champ magnétique. Il est démontré in vitro et in vivo que cette force surmonte le problème de l'insertion d'un fil microguide dans des vaisseaux tortueux et étroits pour permettre de faire avancer le fil-guide avec une distale douce au-delà de la limite d'insertion manuelle. La robustesse de FFN contre les erreurs de positionnement du patient est étudiée en relation avec l'uniformité locale dans le champ périphérique. La force élevée du champ magnétique disponible dans le champ de franges IRM peut amener les matériaux magnétiques doux à son état de saturation. Ici, le concept d'utilisation d'un ressort est présenté comme une alternative vi déformable aux aimants permanents solides pour la pointe du fil-guide. La navigation d'un microguide avec une pointe de ressort en structure vasculaire complexe est également réalisée in vitro. L'autonomie de FFN en ce qui concerne la planification d'une procédure avec autonomie de tâche obtenue dans ce travail augmente le potentiel de FFN en automatisant certaines étapes d'une procédure. En conclusion, FFN pour naviguer dans les microguides dans la structure vasculaire complexe avec autonomie pour effectuer le positionnement du patient et contrôler l'insertion du fil de guidage - avec démonstration in vivo dans un modèle porcin - peut être considéré comme un nouvel outil robotique facilitant le cathétérisme vasculaire. tout en aidant à cibler les vaisseaux lointains dans le système vasculaire.  ABSTRACT: Treatment of cancer, prevention of stroke, and diagnosis or treatment of peripheral vascular diseases are all the cases of application of catheter-based interventions through a minimal-invasive treatment. However, performing catheterization is generally practiced manually, and it highly depends on the experience and the skills of the interventionist. Robotization of catheterization has been investigated to facilitate the procedure by increasing the levels of autonomy to this clinical practice. Regarding it, one issue is the super selective placement of the catheter in the narrower arteries that require miniaturization of the tethered catheter/guidewire instrument. A microguidewire that operates in narrow and tortuous blood vessels experiences different mechanical forces like friction with the vessel wall. These forces can prevent the advancement of the tip of the guidewire in the vessels. A proposed method is applying a pulling force at the tip of the microguidewire to steer and insert the device while pushing the tethered instrument from the other end is no longer practical, and exploiting the gradient of the MRI fringe field dubbed as Fringe Field Navigation (FFN) is proposed as a solution to provide this actuation. The concept of FFN is based on six DOF positioning of a patient in the fringe field of the MRI scanner to enable directional actuation for the navigation of the guidewire. This work reports on the required developments for implementing FFN and investigating the potential and the possibilities that FFN introduces to the catheterization, with attention to enhancing the autonomy. Mapping the fringe field of a 3T MRI scanner is performed, and the structure of the fringe field regarding its local uniformity is investigated. A method for the navigation of a guidewire along a desired vascular path based on six DOF robotic patient positioning is developed. In vitro and in vivo x-ray Guided FFN experiments on a swine model of are performed to navigate a guidewire in the multibifurcation and narrow vessels. A unique feature of FFN is the high gradient of the magnetic field. It is demonstrated in vitro and in vivo that this force overcomes the issue of insertion of a microguidewire in tortuous and narrow vessels to enable advancing the guidewire with a soft distal beyond the limit of manual insertion. Robustness of FFN against the error in the positioning of the patient is investigated in relation to the local uniformity in the fringe field. The high strength of the magnetic field available in MRI fringe field can bring soft magnetic materials to its saturation state. Here, the concept of using a spring is introduced as a deformable alternative to solid permanent magnets for the tip of the guidewire. Navigation of a microguidewire with a viii spring tip in complex vascular structure is also performed in vitro. The autonomy of FFN regarding planning a procedure with Task Autonomy achieved in this work enhances the potential of FFN by automatization of certain steps of a procedure. As a conclusion, FFN to navigate microguidewires in the complex vascular structure with autonomy in performing tasks of patient positioning and controlling the insertion of the guidewire – with in vivo demonstration in swine model – can be considered as a novel robotic tool for facilitating the vascular catheterization while helping to target remote vessels in the vascular system.


identifier: Cervantes Martinez, M. (2019). Accurate and Efficient Simulation of Electromagnetic Transients Using Frequency Dependant Line and Cable Models  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La conception et le fonctionnement efficace des lignes de transmission dépendent fortement des simulations précises des transitoires électromagnétiques, qui nécessitent de couvrir une large gamme de fréquences, comprenant celles très proches du courant continu (CC). Plusieurs approches de modélisation des lignes de transmission et des câbles ont été développées au cours des dernières décennies. Les modèles les plus sophistiqués souffrent de problèmes de performances de calcul et les modèles simplifiés ne sont pas suffisamment précis lorsqu'ils sont utilisés dans une large gamme de transitoires.  Cette thèse passe en revue les modèles prédominants à l'heure actuelle et démontre leurs inconvénients au moyen de simulations. Ensuite, elle étudie les pratiques de modélisation requises pour obtenir des simulations plus précises et plus rapides dans le domaine temporel en utilisant de modèles de lignes/câbles dépendant de la fréquence. Dans la première partie, cette thèse contribue à une procédure d'ajustement améliorée pour l'identification de la fonction de propagation  dans les câbles. La procédure d'ajustement H proposée repose sur des techniques de pondération adaptative et de partitionnement de fréquence afin d'assurer la précision de l'ajustement pour toutes les entrées de la matrice , comprenant des éléments hors diagonaux de faible magnitude. En outre, une technique de réduction d'ordre de modèle via une réalisation équilibrée est appliquée pour obtenir un ordre d'approximation réduit. Les résultats numériques montrent que la méthodologie proposée permet d'obtenir un ajustement plus précis et qu'elle, combinée à des schémas d'intégration précis, fournit des simulations stables et plus précises.L'analyse transitoire des lignes de transmission en capturant avec précision la réponse du courant continu est devenue un intérêt particulier avec le nombre croissant de systèmes HVDC planifiés et installés. Une pratique pour capturer la réponse CC consiste à démarrer la gamme de fréquences dans le modèle à partir d'un échantillon de très basse fréquence dans l'ajustement des fonctions de ligne de transmission. Toutefois, cela peut rigidifier l'ajustement en raison de l'augmentation de la gamme de fréquences, et les valeurs calculées de tension/courant de ligne de régime permanent à courant continu peuvent s'écarter de la solution correcte. Pour résoudre ce problème, cette thèse propose une méthode d'ajustement en deux étapes dans laquelle les échantillons de basse fréquence sont exclusivement pris en compte.  ABSTRACT: The design and effective operation of transmission lines strongly depend on accurate electromagnetic transients (EMT) simulations, which require covering a wide range of frequencies including those very close to DC. Several approaches for transmission line and cable modeling have been developed during the last decades. The more sophisticated models suffer from computational performance issues, and the simplified models are not sufficiently accurate when they are used in a wide range of transients. This thesis first reviews the most currently predominant models and demonstrates their drawbacks through simulations. Then, it investigates the modeling practice required to obtain more accurate and faster time-domain simulations using frequency-dependent line/cable models.  In the first part, this thesis contributes with an improved fitting procedure for the identification of the propagation function  in cables. The proposed fitting procedure relies on adaptive weighting and frequency partitioning techniques to ensure the precision of fitting for all the entries of  including the low-magnitude off-diagonal elements. In addition, a model order reduction technique via balanced realization is applied to obtain a reduced order of approximation. Numerical results show that the proposed methodology allows obtaining more accurate fitting, and when combined with more precise integration schemes, it yields stable and more accurate time-domain simulations. Transient analysis of transmission lines while accurately capturing the DC response has become of special interest with the increasing number of planned and installed HVDC systems. One practice to capture the DC response is to start the frequency range in the model from a very low frequency sample in the fitting of transmission line functions. However, this may stiffen the fitting due to increased range of frequencies, and the calculated DC steady-state line voltage/current values may deviate from the correct solution. To address this problem, this thesis proposes a two-stage fitting method in which low frequency samples are exclusively considered. In the first step, the fitting is performed by excluding very low frequency samples such as those below 1 Hz. In the second step, a correction function is found for the excluded low frequency samples. It is proposed to use this approach for avoiding numerical instabilities due to unbalanced fitting, and for improving the precision of the DC response.


identifier: Nsamela Matombi, A. (2019). Fonctionnalisation de nanoparticules plasmoniques pour le ciblage de cellules du cancer du sein in vitro  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cancer du sein représente un quart des cas de cancer diagnostiqués chez les femmes au Canada. De nos jours, le moyen le plus efficace de diagnostiquer le cancer du sein consiste à effectuer une biopsie de la zone suspecte chez le patient et à l'analyser en laboratoire. L'étalon d'or utilisé par les pathologistes pour déterminer si les tissus sont cancéreux ou non est la coloration par immunohistochimie (IHC). Cette méthode présente plusieurs inconvénients, tels que la dégradation possible des antigènes ciblés en raison de l'utilisation d'agents de fixation (Formaline, etc.) ou la difficulté à cibler plusieurs antigènes dans un même échantillon. Dans ce projet sera présenté un moyen de répondre à ces problèmes en utilisant des nanoparticules (NP) plasmoniques fonctionnalisées avec des anticorps (Ac) pour cibler spécifiquement des cellules du cancer du sein. Outre une grande stabilité qui permet d'éviter l'utilisation d'agents de fixation avant le marquage des cellules, les NPs biocompatibles ont des propriétés optiques particulières qui permettent de les visualiser et de les compter facilement. L'objectif final est de développer et appliquer un protocole robuste qui pourra être appliqué directement par les pathologistes au Canada et montrera des résultats capables de rivaliser avec l'IHC. La première partie du mémoire concerne la fonctionnalisation des NPs et leur caractérisation. Trois approches de fonctionnalisation ont été testées : EDC/(Sulfo-)NHS (N-3- (dimethylamino)propyl-N-ethylcarbodimide hydrochloride/ N - Hydroxy(sulfo)succinimide), NHS et Hydrazide. Ces noms font référence au groupe fonctionnel qui se lie à l'Ac. Dans le cas des approches utilisant des esters NHS, la liaison se fait aux amines primaires des Ac qui sont réparties dans toute leur structure. On parle donc de fonctionnalisation non orientée car la position du site de liaison sur les Ac est aléatoire et les domaines Fab peuvent ainsi être liées aux NPs. C'est pourquoi le protocole Hydrazide, spécifique au domaine Fc des Ac, présentait un intérêt particulier. Les trois procédures ont été adaptées pour des NPs d'or (AuNPs) sphérique de 100 nm de diamètre et celles-ci ont été caractérisées par des mesures des spectres d'absorbance, de la taille hydrodynamique, du potentiel zêta ainsi que des techniques d'imageries et de dosage à l'aide d'Ac conjugués à des fluorophores. Tous ces résultats ont mené à la conclusion que le protocole EDC/NHS effectué à pH 7 était le plus robuste et assurait la plus grande couverture en Ac sur les NPs. Une fois la fonctionnalisation maîtrisée, la seconde partie de ce mémoire présentera comment utiliser ces NPs pour évaluer quantitativement l'expression de certains antigènes (CD44, HER2 et CD24) sur trois lignées cellulaires de cancer du sein (MDA-MB-231, MDA-MB-453 et BT-474). La méthode développée dans ce projet de maîtrise présente la nouveauté d'incuber les cellules en suspension et non plus en pétri comme dans les modèles de marquage bidimensionnels classiques. Les résultats de l'immunomarquage avec les AuNPs (immunoplasmonique) sont directement comparés aux résultats d'immunofluorescence pour la quantification des antigènes. Une bonne corrélation a été trouvée entre les deux tests pour les MDA-MB-231 (tous antigènes confondus) et pour les MDA-MB-453 (excepté pour le CD24). Les BT-474 ont démontré des résultats incohérents avec l'immunofluorescence avec un faible nombre de nanoparticules par cellules pour tous les antigènes. Les expériences d'immunoplasmoniques ont également été réalisées en présence de sérum humain et les mêmes tendances ont été observées. Au vu de ces résultats, il est recommandé pour de futures études de se pencher sur l'optimisation des techniques de purification des AuNPs fonctionnalisées ainsi que sur le développement d'un contrôle qualité pour mesurer l'activité des anticorps. Aussi, en vue d'une standardisation des procédés, il faudrait augmenter le nombre de AuNPs par cellules pour réduire la variabilité de la mesure.  ABSTRACT: Breast cancer accounts for 25% of all cancer cases diagnosed in women in Canada. Nowadays, the most effective way to diagnose breast cancer is to perform a biopsy of the suspect area in the patient and analyze it in laboratory. The gold standard used by pathologists to determine whether the tissue is cancerous or not is immunohistochemical staining (IHC). This method has several disadvantages, such as the possible degradation of targeted antigens due to the use of fixating agents (Formalin, etc.) or the difficulty of targeting several antigens in the same sample. In this project will be presented a way to address these problems by using functionalized nanoparticles (NP) with antibodies (Ab) to specifically target breast cancer cells. In addition to high stability that avoids the use of fixating agents before labelling the cells, biocompatible NPs have special optical properties that make it easy to visualize and to count. The ultimate goal of this work is to develop and test a robust protocol that can be applied directly by pathologists in Canada and show results capable of competing with IHC. The first part of the thesis will be about the functionalization of NPs and their characterization. Three functionalization approaches were tested: EDC/(Sulfo-)NHS (N-3-(dimethylamino) propyl-N-ethylcarbodimide hydrochloride/N-Hydroxy(sulfo)succinimide), NHS and Hydrazide. These names refer to the functional group that binds to the Ab. In the case of approaches using NHS esters, the binding is to the primary amines of the Ab which are distributed throughout their structure. We therefore speak of non-oriented functionalization because the position of the binding site on the Ab is random and the Fab domains can thus be bound to NPs. This is why the Hydrazide protocol, specific to the Fc domain of Ab, was of particular interest. The three procedures were adapted for 100 nm diameter spherical gold nanoparticles (AuNPs) and these were characterized by measurements of absorbance spectra, hydrodynamic size, zeta potential, and imaging and assay using Ac conjugated to fluorophores. All these results led to the conclusion that the EDC/NHS protocol performed at pH 7 was the most robust and provided the greatest coverage of Ab on NPs. Once the functionalization is under control, the second part of this thesis will present how to use these NPs to quantitatively evaluate the expression of certain antigens (CD44, HER2 and CD24) on three breast cancer cell lines (MDA-MB-231, MDA- MB-453 and BT-474). The method developed in this master's project presents the novelty of incubating suspended cells and no longer kneading them as in conventional two-dimensional marking models. The results of immunolabeling with AuNPs (immunoplasmonic) are directly compared with immunofluorescence results for the quantification of antigens. A good correlation was found between the two tests for MDA-MB-231 (all antigens combined) and for MDA-MB-453 (except for CD24). BT-474 demonstrated inconsistent results with immunofluorescence with a very low number of nanoparticles per cell for all antigens. Immunoplasmonic experiments were also performed in the presence of human serum and the same trends were observed. In view of these results, it is recommended for future studies to focus on the optimization of purification techniques for functionalized AuNP as well as the development of quality control to measure antibody activity. Also, in order to standardize processes, the number of AuNPs per cell should be increased to reduce the variability of the measurement.


identifier: Py-Renaudie, A. (2019). Propriétés piézoélectriques des alliages d'oxyde de zinc: étude ab-initio  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux piézoélectriques ont une grande importance technologique et sont utilisés dans divers dispositifs tels que des résonateurs, des transducteurs, des récupérateurs d'énergie, etc. Cependant, l'un des candidats les plus prédominants parmi les matériaux piézoélectriques est basé sur le plomb, ce qui conduit à un certain nombre de problèmes de santé publique et environnementale. Il est donc important d'étudier les matériaux de substitution, et parmi les concurrents le ZnO est particulièrement intéressant. Il présente le coefficient piézoélectrique d33 le plus élevé parmi les isolants piézoélectriques binaires à structure tétrahédrique. Le ZnO est par ailleurs biocompatible et beaucoup plus respectueux de l'environnement que le plomb, ce qui ouvre la porte à de nombreuses applications en particulier dans le domaine biomédical. Ce mémoire de maîtrise porte sur les propriétés piézoélectriques des alliages à base de ZnO. Nous présentons d'abord une définition des coefficients piézoélectriques d'intérêt. Notre travail repose sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la théorie perturbative de la fonctionnelle de la densité (DFPT). Nous présentons brièvement ces méthodes, car elles sont essentielles à la compréhension du travail présenté. Grâce à ces méthodes, il est possible de simuler les propriétés du système d'électrons qui constitue notre système d'intérêt, en particulier les propriétés piézoélectriques du ZnO. Les résultats obtenus dans la littérature pour ce type de méthode sont présentés et discutés. Afin d'améliorer les coefficients piézoélectriques d33 et e33, plusieurs stratégies sont discutées, à savoir la substitution d'un atome de zinc, l'impact de la concentration de ce substituant et enfin l'impact de la déformation. Nous avons décidé d'étudier le sujet à l'aide de la méthode DFPT utilisant la fonctionnelle LDA (approximation de la densité locale) implémentée dans le logiciel ABINIT sous le formalisme PAW (Projector Augmented Wave) avec la bibliothèque JTH. Notre travail porte principalement sur les supercellules à 32 atomes (soit une concentration de 6.25 % atomique dans le sous-réseau métallique), avec les meilleures performances pour les alliages sans contrainte obtenus pour Zn15YO15N et Zn15LaO15N. Ces composés atteignent respectivement un coefficient piézoélectrique d33 de 17,5 pC/N et 18 pC/N et un coefficient e33 de 1,7 C/m2. Sous une déformation biaxiale dans le plan de 1%, l'alliage Zn7YO7N affiche un coefficient de 2,6 C/m2 qui correspond à une amélioration de 100% par rapport au ZnO. Nous avons ensuite démontré que le coefficient piézoélectrique e33 dépendait linéairement du ratio de cellule c/a selon une pente de � -9 C/m2. Cela nous permet de prédire rapidement et efficacement le coefficient piézoélectrique e33 d'alliages de ZnO en minimisant les ressources informatiques requises.  ABSTRACT: Piezoelectric materials are of great technological importance, being used in various appliactions such as resonators, transducers and energy harvesters. However, some of the most prominent candidates among piezoelctric materials are lead based ceramics leading to a number of environmental and public health issues. It is thus important to investigate alternative materials, and among the competitors ZnO is particularly interesting. It displays the highest piezoelectric coefficient d33 among pristine tetrahedraically bonded piezolectric insulators. It is also environment-friendly, and fairly biocompatible which opens possibilities for biomedical applications. This master thesis focuses on the piezoelectric properties of ZnO-based alloys. We first present a definition of the piezoelectric coefficients of interests. Our work relies on the density functional theory (DFT) and density functional perturbation theory (DFPT). We present briefly these methods, as they are essential to the understanding of this work. They allow us to simulate the properties of an interacting electron system, in particular the piezoelectric properties of ZnO. The results obtained in the literature using this approach are presented and discussed. In order to improve the pieozelectric coefficients e33 and d33, several strategies are discussed, namely the substitution of a zinc atom, the impact of the concentration of this substituent and finally the impact of applied strain. We decided to investigate the subject applying the DFPT method using the LDA (Local Density Approximation) functional implemented on the ABINIT software under the PAW (Projector Augmented Wave) formalism with the JTH library. Our work mostly focuses on 32 atoms supercells (a 6.25 concentration on substituent in the metal sublattice), with the best performances for unstrained alloys obtained for Zn15YO15N and Zn15LaO15N. They exhibit respectively a 17.5 pC/N and 18 pC/N d33 pieozelectric coefficient and a 1.7 C/m2 e33 coefficient. Under a 1% biaxial in plane strain the Zn7YO7N alloy display an e33 coefficient of 2.6 C/m2 which is a 100% improvement over pristine ZnO. We have established that for ZnO-based alloys, the piezoelectric coefficient e33 depends linearly on the cell ratio c/a, with a slope of � - 9 C/m2. This linear correlation allows for quick and reliable predictions of the piezoelectric e33 coefficient of promising ZnO-based alloys with very little computational effort.


identifier: Jendoubi, I. (2019). Modeling and Aggregation of Thermostatically Controlled Loads for Participation in Frequency and Voltage Control of a Power System  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'opération d'un réseau électrique est un acte de balancement puisque l'équilibre entre la production et la consommation doit être maintenue en temps réel. La fréquence et la tension sont des indicateurs précis des déséquilibres et doivent par conséquent être maintenues dans les limites autorisées pour un fonctionnement stable des réseaux électriques. Traditionnellement, l'équilibre entre la production et la consommation est assuré par les générateurs conventionnels fonctionnant aux combustibles fossiles. Or, ce moyen est économiquement inefficace et a un impact négatif sur l'environnement. La pénétration croissante des sources d'énergie renouvelable complique plus que jamais l'équilibre production-consommation puisqu'elles induisent davantage des fluctuations, ce qui accroît le besoin en réserves de contrôle à réaction rapide. La réponse à la demande est une des solutions efficaces, économiques et à impact environnemental positif pouvant prendre part dans la provision des réserves de contrôle, surtout avec le développement des technologies et techniques des réseaux intelligents. En particulier, les charges thermiquement contrôlées (TCLs) sont des candidats potentiels car elles sont nombreuses et largement distribuées dans le réseau électrique. De plus, les TCLs sont des appareils à action rapide et peuvent être gérées sans compromettre le confort du client. L'objectif principal de ce travail est l'implication des TCLs dans la provision du contrôle primaire et secondaire de la fréquence ainsi que la régulation de la tension. Par conséquent, un défi important consiste à développer une stratégie de contrôle fiable et à réaction rapide pour une participation efficace des TCLs dans de tels services auxiliaires. De plus, cela devrait être fait en tenant compte du confort du client, de l'usure des appareils et des problèmes liés aux cycles courts. De plus, une estimation et prévision précises des réserves de contrôle disponibles offertes par les TCLs sont essentielles. A cette fin, une approche basée sur un réseau de neurones est proposée pour l'estimation et la prévision précises de la flexibilité disponible offerte par les TCLs. Une comparaison entre cette nouvelle approche et l'approche conventionnelle basée sur la chaîne de Markov montre une précision de prédiction supérieure de l'approche basée sur un réseau de neurones. Des méthodes de contrôle sont ensuite développées pour une gestion efficace et optimale d'une population de TCLs via un agrégateur afin d'obtenir une réponse collective imitant le comportement des générateurs conventionnels, tout en respectant les exigences des services de contrôle fournis. En particulier, la participation des TCLs au contrôle primaire de la fréquence est semi-autonome et ne repose pas sur une communication en temps réel bénéficiant de la réponse rapide des TCLs.  ABSTRACT: Operating an electric power system is a balancing act as the equilibrium between generation and consumption must be maintained in real-time. Frequency and voltage are accurate indicators of imbalances, and therefore must be kept within permissible ranges for a stable operation of power systems. Traditionally, the generation-consumption balancing is provided by fossil-fueled conventional generators which are economically inefficient and environmentally unfriendly. The increasing penetration of renewable energy sources is making the balancing more challenging than ever as they induce further fluctuations, which in turn increase the need for fast-responding control reserves. Demand Response is one of the efficient, cost-effective and environment-friendly alternatives for taking part in the provision of control reserves, especially with the development of smart grid technologies and techniques. In particular, thermostatically controlled loads (TCLs) are potential candidates as they are numerous and widely distributed in the electrical network. Furthermore, TCLs are fast-acting devices and can be managed without compromising customer comfort. The main objective of this work is the implication of TCLs in the provision of primary and secondary frequency control as well as voltage regulation. In this way, an important challenge is to develop a reliable and fast reacting control strategy for an efficient participation of TCLs in such ancillary services. Furthermore, this should be done taking into account customer comfort, device wear and tear, and short cycling issues. Moreover, an accurate estimation and prediction of the available control reserves offered by TCLs are essential. To this aim, a neural network-based approach is proposed for the accurate estimation and prediction of the available flexibility offered by TCLs. A comparison between this new approach and the conventional Markov-Chain approach shows a superior prediction accuracy of the neural network-based approach. Control methods are then developed for an effective and optimal management of a population of TCLs through an aggregator in order to obtain a collective response that imitates the behaviour of conventional generators, while respecting the requirements of the provided control services. In particular, TCLs participation in primary frequency control is semi-autonomous with no reliance on real-time communication benefiting from TCLs fast response. The proposed control methods are characterized by a fast response and a very low communication burden, while the customer comfort is maintained, the switching number is minimized by proper prioritization of TCLs, and short-cycling is reduced by the division of TCLs into groups.


identifier: Mahdi, A. (2019). Étude expérimentale et numérique d'un écoulement non-Newtonien à la suite d'une rupture d'un barrage des résidus de sables bitumineux  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les défaillances catastrophiques des barrages de résidus miniers dans le monde ont provoqué des dommages importants à l'environnement et aux infrastructures, ainsi qu'à la santé et à la sécurité des personnes. La composition toxique des résidus rend la rupture des barrages des résidus miniers plus catastrophique que celle des barrages ordinaires qui stockent que de l'eau. Au Canada, la région « Lower Athabasca », en Alberta, héberge l'exploitation minière des sables bitumineux avec les plus grands barrages de résidus au monde. Ces barrages de résidus sont situés à proximité des cours d'eau comme la rivière Athabasca et de plusieurs collectivités (comme la ville de Fort McMurray). De nombreuses ruptures catastrophiques de barrages de résidus miniers ont suscité des inquiétudes quant à la sécurité et à l'impact environnemental des barrages de résidus de sables bitumineux.  ABSTRACT: Catastrophic tailing dam failures around the world has caused major damages to the environment and infrastructure and impacted human health and safety. The toxic composition of tailing materials makes the tailing dam break more disastrous than the water dam breaks. In Canada, the Lower Athabasca region in Alberta host the oil sands mining developments with some world's largest tailing dams. These tailing dams are in proximity of the Athabasca River systems and several communities (such as city Fort-McMurray). Many past catastrophic mining tailings dam breaks has raised concern over safety and environmental impact of oil sands tailing dams. There is a great interest to investigate and predict the potential impact of an oil sands tailing dam on the downstream lands and water.


identifier: Wang, K. (2019). Electromagnetic Modeling and Simulation of Anisotropic Structures Using the Equivalent Source Method  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement de nouvelles technologies de fabrication ouvre de nouvelles possibilités au niveau du développement de matériaux possédant des anisotropies complexes. Les caractéristiques anisotropes, comparativement aux caractéristiques isotropes, permettent de contrôler aisément aux ondes électromagnétiques. Ces propriétés pourraient s'avérer intéressantes pour la conception de futurs dispositifs faisant partie de systèmes de communication sans-fil. Jusqu'à maintenant, les méthodes de simulations intégrées dans les logiciels commerciaux se basent sur la discrétisation volumétrique comme la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). Ces méthodes permettent de traiter la plupart des cas généraux de matériaux anisotropes, mais elles nécessitent une discrétisation de l'entièreté du volume de l'objet. Cela représente un fardeau de calcul important lorsqu'un matériau plus volumineux est traité. La méthode des moments basée sur les équations intégrales de surface (SIE-MoM) peut simplifier le problème en restreignant le problème à la surface du volume. Cette méthode se heurte toutefois aux problèmes de singularités. Pour surmonter ceux-ci et dans le but de fournir un outil de simulation efficace, nous présenterons une méthode d'équivalence de source (ESM) qui est une solution par moments permettant l'évaluation électromagnétique de matériaux anisotropes. Les fonctions de Green tensorielles en deux et trois dimensions des matériaux analysés seront abordées en détails et appliquées dans la formulation de la ESM qui permet d'analyser les diffuseurs anisotropes. Le placement de sources filamentaires et des points de test qui jouent un grand rôle dans la méthode ESM seront détaillés car il favorise l'obtention de solutions stables. Le problème des singularités, un problème majeur de la SIE-MoM, peut facilement être résolu par la ESM. De plus, les conditions frontières anisotropes, plus spécifiquement les conditions aux frontières d'impédance tensorielle (TIBC) utilisées dans la représentation de matériaux composites en fibre de carbone multicouche et la condition des feuilles de transition généralisée (GSTC) utilisée dans la caractérisation de métasurfaces cylindriques sont aussi intégrées dans la ESM pour analyser les évaluations électromagnétiques. Comparativement aux logiciels commerci-aux et aux recherches déjà publiées, la ESM possède clairement l'avantage au niveau de la performance de la simulation. En outre, dans cette thèse, on s'intéressera aux limitations de la ESM dans les cas en trois dimensions. Même si la simulation par ESM d'objets en trois dimensions possédant des géométries complexes engendrent un coût de calcul important, la ESM demeure un outil de simulation puissant dans les cas de géométries en deux et trois dimensions possédant des frontières lisses.  ABSTRACT: The development of manufacturing technology provides possibility to build artificial materials possessing complex anisotropy. The anisotropic characteristic, compared with the isotropic one, provides additional freedom to control electromagnetic waves. This property makes the anisotropic material a competitive alternative in the design of devices for future wireless communication systems. So far, the simulation methods integrated in commercial software packages for anisotropic materials are volumetric discretization-based, such as Finite-Element Method (FEM) and Finite-Difference Time-Domain (FDTD). These methods can handle the most general case of anisotropic materials whereas they require to discretize the entire volume of an object, therefore it generates computational burden when a larger scatterer is encoun-tered. The surface integral equations-based method of moment (SIE-MoM) can simplify the problem by formulating the problem only on the physical surface. Yet the complexities, especially on the singularity issue, are still there. To overcome mentioned problems and to provide an eÿcient simulation tool, this thesis presents the equivalent source method (ESM), a moment solution, to analyze anisotropic materials. The dyadic Green's functions in two-dimensional and three-dimensional cases of investigated anisotropic materials are discussed in detail, and subsequently deployed in the formulation of the ESM to analyze electromagnetic phenomena involving anisotropic scatterers. The placements of filamentary sources and the testing points, playing the key role in the ESM, are discussed and specified in detail to provide a stable solution. The singularity issue, usually a tough problem in SIE-MoM, can be solved easily by using the ESM. In addition, the anisotropic boundary conditions, specifically the tensorial impedance boundary condition (TIBC) used for representing multilayered carbon-fiber composite materials and the generalized sheet transition condition (GSTC) used for characterizing cylindrical metasurfaces, are also incorporated in the ESM. In comparison to commercial software packages and published researches, the ESM has a clear advantage on the simulation performance. For example, the CPU time and required memory are 611 s/7.50 GB for the FEM (CST) whereas only 1.58 s/0.00037 GB for the ESM when computing the field on the surface of an elliptical cylinder in two-dimensional (2D) case under the illumination of a TM plane wave, and in three-dimensional (3D) case, the CPU time and required memory are 82980 s/170.2 GB for the FEM (HFSS) whereas only 4421.52 s/2.40 GB for the ESM when computing scattering from an uniaxial sphere with a 2� radius.


identifier: Lieber, É. (2019). Influence des facteurs climatiques sur la performance de la nappe phréatique surélevée combinée à un recouvrement monocouche  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Sur un site minier, l'une des infrastructures les plus imposantes et pouvant présenter une problématique environnementale importante est le parc à résidus miniers. Ces résidus, issus du processus de traitement du minerai, peuvent encore contenir une quantité parfois importante de sulfures. La réaction chimique de ces sulfures avec l'eau et l'oxygène est responsable du drainage minier acide (DMA). Il se caractérise par un faible pH et des concentrations en métaux et en sulfates élevés, paramètres nocifs pour l'environnement si celui-ci n'est pas contrôler. Afin de limiter la génération de DMA, il est important, dès le début de vie de l'exploitation minière, d'élaborer un plan de restauration pour le parc à résidus. Les méthodes de restauration ont pour but d'éliminer l'une des trois composantes de l'oxydation des sulfures, soit l'eau, l'oxygène ou les sulfures eux-mêmes. En climat humide, les méthodes de restauration utilisées privilégient l'exclusion de l'oxygène comme la méthode de la nappe phréatique surélevée. Associé à un recouvrement monocouche, cette technique permet de maintenir la nappe phréatique à un niveau optimal permettant aux résidus de demeurer saturés ou proche de la saturation, limitant ainsi l'oxydation des sulfures et la génération de DMA. Cette technique est intrinsèquement dépendante des précipitations qui vont en grande partie être responsable de la fluctuation du niveau de la nappe phréatique au sein du parc à résidus. Les changements climatiques attendus d'ici 2100 vont avoir pour conséquence un changement dans le régime de précipitations. Au Québec, des variations importantes des températures et des précipitations moyennes annuelles ainsi qu'une augmentation de la fréquence et de l'intensité des événements extrêmes sont attendus. L'augmentation des précipitations aurait un impact positif sur le scénario de restauration, alors que les périodes de sécheresse pourraient la rendre inefficace à stopper la génération de DMA. L'objectif de ces travaux est d'étudier la performance à long terme de la méthode de la nappe phréatique surélevée combinée à un recouvrement monocouche dans le contexte des changements climatiques. Cette méthode de restauration doit être mise en place sur les parcs à résidus du site minier Doyon-Westwood (Cadillac, Québec). Afin de tester cette méthode, des cellules de terrain ont été construites sur le site. Un suivi hydrologique et géochimique a été réalisé de 2015 à 2018. Les matériaux utilisés pour la construction des cellules ont été caractérisés au laboratoire en 2015 lors de la construction des cellules afin de déterminer en particulier la conductivité hydraulique saturée et la courbe de rétention d'eau. De nouveaux essais ont été réalisés dans le cadre de cette étude afin de confirmer les résultats obtenus en 2015.  Un modèle numérique 1D a été bâti à l'aide du logiciel SEEP/W afin de représenter les cellules de terrain. Le modèle a été calibré en utilisant les données météorologiques de la station de Rouyn-Noranda et en modifiant les propriétés des matériaux afin de reproduire les données de teneurs en eau volumiques obtenus lors du suivi des cellules sur le terrain. Le parc à résidus #2 a par la suite été également simulé numériquement en utilisant l'épaisseur moyenne de résidus Doyon et un recouvrement monocouche d'un mètre de résidus désulfurés Westwood.Afin d'intégrer les changements climatiques, plusieurs modèles climatiques ont été utilisés selon deux scénarios radiatifs (RCP4.5 et RCP8.5). Un total de 18 simulations climatiques a ainsi été obtenu. Dans le cadre de ces travaux, trois scénarios issus de ces simulations ont été utilisés dont un représentant le pire scénario possible pour la méthode de restauration soit une faible augmentation des précipitations combiné à une augmentation importante des températures.    Les variables climatiques des trois scénarios climatiques sélectionnés ont été intégrées aux modèles numériques (cellules et parc #2) afin de simuler l'évolution du comportement hydrogéologique de la méthode de restauration de 2020 à 2100. Les différentes simulations réalisées ont démontré l'impact principal des paramètres tel que le niveau de la nappe phréatique et les propriétés des matériaux. L'épaisseur du recouvrement monocouche peut également être optimisé afin d'améliorer le comportement de la méthode de restauration. Lorsque les paramètres de design de la méthode de restauration mentionnés précédemment sont optimisés, la saturation des résidus Doyon qui traduit la bonne performance de la méthode est assurée même dans le cas du pire scénario climatique utilisée. Cette observation a également été faite dans le cas des deux autres scénarios climatiques dont les résultats n'ont pas démontré de différences significatives.  ABSTRACT: On a mine site, one of the largest and potentially significant environmental issues is the tailings management facility. Tailings, from the ore processing process, may still contain a large quantity of sulphides. The chemical reaction of these sulphides with water and oxygen is responsible for acid mine drainage (AMD). It is characterized by low pH and high concentrations of metals and sulphates, which are harmful to the environment if not controlled. In order to limit the generation of AMD, it is important from the beginning of the mining operation, to develop a reclamation plan for the tailings management facility. Reclamation methods are intended to remove one of the three components of sulphide oxidation: water, oxygen or sulphides.  In wet climates, the reclamation methods used favour the exclusion of oxygen, such as the method of the elevated water table combined with a monolayer cover. This technique allows the water level to be maintained at an optimal level allowing the tailings to remain saturated or close to saturation, thus limiting the oxidation of sulphides and the generation of DMA. This technique is inherently dependent of precipitations, which will largely be responsible for water level variations within the tailings facility. The expected climate change by 2100 will result in a change in precipitation patterns. In Quebec, significant changes in annual average temperatures and precipitation and an increase in the frequency and intensity of extreme events are expected. Increased precipitations would have a positive impact on the reclamation scenario, while periods of drought could make it ineffective in stopping the generation of AMD.  The objective of this study is to investigate the long-term performance of the elevated water table method combined with a monolayer cover in the context of climate change. This reclamation method is to be implemented at the tailings facility of the Doyon-Westwood mine site (Cadillac, Québec). In order to test this method, field cells were constructed on the site. Hydrological and geochemical monitoring was conducted from 2015 to 2018. The materials used for cell construction were characterized in the laboratory in 2015 during cell construction to determine saturated hydraulic conductivity and the water retention curve of the materials. New tests were conducted as part of this study to confirm the results obtained in 2015.  A 1D numerical model was built using the SEEP/W software to represent the cells. The model was calibrated using meteorological data from the Rouyn-Noranda station and modifying the hydrological properties of the materials to reproduce the data of volumetric water content obtained during cell monitoring in the field. The Doyon tailings ponds #2 was then numerically simulated using the average Doyon tailings thickness and a monolayer cover of one-metre thickness made with desulfurized Westwood tailings.  In order to integrate climate change, several climate models according to two radiative scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) were used. A total of 18 climate simulations were obtained. As part of this study, three climate scenarios from these simulations were used, including one representing the worst-case scenario for the reclamation method with a small increase in precipitation combined with a significant increase in temperatures.  Climate parameters from the three selected climate scenarios were integrated into the numerical models (field cells and ponds #2) to simulate the behaviour evolution of the reclamation method from 2020 to 2100. The various numerical simulations carried out demonstrated the main impact of parameters such as water table level and material properties. The thickness of the monolayer cover can also be optimised to improve the behaviour of the reclamation method. When the design parameters of the reclamation method mentioned above are optimized, saturation of the Doyon tailing which reflects the good performance of the method is ensured even in the case of the worst case scenario used. This observation was also made for the other two climate scenarios whose results did not show significant differences.


identifier: Aujogue, N. (2019). Application de l'holographie acoustique transitoire au contrôle non destructif de structures  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les entreprises du secteur des transports se doivent de garantir la sécurité et la fiabilité des équipements qu'ils proposent. Ce double enjeu les pousse à investir pour développer des méthodes facilitant la maintenance de leurs appareils. En particulier, de nombreuses méthodes de contrôle non destructif sont développées pour vérifier l'intégrité de certaines pièces structurales tout en réduisant les coûts de maintenance grâce à une maximisation de la qualité du diagnostic et à une  minimisation du temps d'immobilisation des appareils. Parmi ces méthodes, un certain nombre s'appuie sur le comportement dynamique des structures à inspecter pour détecter des défauts. Dans ce mémoire, cette approche est adoptée pour développer une nouvelle méthode d'inspection. L'originalité de cette méthode tient au fait qu'elle s'appuie sur la mesure du comportement vibratoire par holographie acoustique en champ proche. Cette méthode de mesure permet d'estimer le champ vibratoire d'une pièce à partir du champ acoustique qu'elle rayonne. L'intérêt d'utiliser une telle technique réside dans le fait que c'est une méthode de mesure sans contact, ce qui évite toute détérioration ou contamination de la pièce par des instruments de mesure. De plus, l'antenne de microphones n'interfère pas avec la structure, contrairement aux accéléromètres, dont la masse peut perturber le système. Enfin, l'holographie acoustique nécessite un équipement relativement peu dispendieux, et permet d'effectuer des mesures sur des grandes zones, tout en évitant un scan de la structure long et fastidieux, comme pour les méthodes par vibrométrie laser. En définitive, nous avons cherché à développer une méthode de contrôle non destructif se basant uniquement sur la mesure du champ de pression rayonné par la pièce inspectée. Il s'agit ici d'apporter une preuve de concept pour notre approche, ce qui justifie le fait que l'on s'intéresse au cas très simplifié des plaques. Malgré cela, chaque choix dans cette maîtrise a été effectué en ayant en tête les développements futurs qui permettront de traiter des structures plus complexes. Il a de plus été supposé que la meilleure approche pour mener à bien ce projet était de travailler dans le domaine temporel, en régime transitoire. En effet, les méthodes fréquentielles permettent un diagnostic à un nombre de fréquences limité, tandis que les méthodes transitoires permettent d'analyser la structure sur une large bande, tout en ayant des informations sur la causalité des évènements : si une image vaut mille mots, une vidéo vaut un million de mots, car la dimension temporelle regorge d'informations sur la structure. L'approche proposée pour répondre aux objectifs de ce mémoire s'articule en trois volets. Le premier s'attache à développer une méthode d'holographie acoustique transitoire adaptée à notre problème. L'originalité de cette partie vient du fait que l'on applique une déconvolution linéaire entre le signal mesuré et la fonction de Green qui relie la vitesse normale de la plaque à la pression sur le plan de mesure. De plus, la fonction de Green est échantillonnée dans le domaine spatial et temporel pour éviter les effets de fuite spectrale et de recouvrement. Il est montré que cette technique est plus adaptée aux signaux transitoires que les autres méthodes de la littérature et qu'elle permet une reconstruction de la source avec un taux d'erreur inférieur à 20% pour des distances source-plan de mesure jusqu'à 5 cm, et des rapports signal sur bruit réalistes (20 dB). L'applicabilité de cette méthode est démontrée expérimentalement grâce à un banc d'essai comportant une plaque de plexiglass excitée par un impacteur métallique.  ABSTRACT: Companies of the transportation industry need to ensure both safety and reliability of their devices. Therefore, in the last 30 years, a significant research endeavor has led to a set of methods allowing efficient maintenance. Non-destructive testing methods have been developed to check the structural integrity of important pieces while lowering maintenance cost, and improving diagnostic accuracy. Among those methods, some rely on the analysis of their dynamic behavior to detect defects in structures. In this master thesis, a novel approach for non-destructive testing based on this idea is developed. Unlike other state-of-the-art techniques, this method is based on full-field vibration measurement using nearfield acoustical holography. This technique allows estimating the vibration field of some structure from the measurement of acoustic pressure in its near field performed with a microphone array. The advantage of using such measurement method is that it is contactless; therefore, contamination or damage of the structure by measurement hardware is avoided. Moreover, microphone arrays do not modify the structure, unlike accelerometers for example, and are affordable compared to other optical methods, such as laser vibrometers. The aim of this study is to develop a non-destructive testing method simply based on the measurement of the pressure field radiated by the piece under study. This master thesis aims at providing a proof of concept for the proposed methodology. Thus, the present document focuses on plates, while keeping in mind future developments to study more complex structures. In addition, this whole study focuses on transient regime and exploit time-domain data. Unlike frequency-domain methods that rely on the study of a small set of frequencies, time-domain data obtained from impact-like excitations allows inspecting the structure over a wide spectrum while having access to causality. To sum up, considering that an image is worth a thousand words, a video should be worth a million words, since time dimension gives us access to a lot more information about the structure. The proposed approach is given in three parts. First, a formalism for nearfield acoustical holography suitable for this particular application is developed. Here, the original contribution lies in the linear deconvolution applied to all three dimensions (time and space) between the measured pressure field and the Green's function expressing the relation between transverse velocity on the reconstruction plane and pressure on the measurement plane. Furthermore, the Green's function is sampled directly in time and space domains, which avoids spectral leakage and wrap-around errors. This method is shown to perform better than other state-of-the-art methods and allows reconstruction of the source with an error rate lower than 20% for back-propagation distances up to 5 cm and typical signal-to-noise ratios (20 dB). The practical applicability of this method is shown on a test bench with a plexiglass plate impacted by a steel rod. The second part of this thesis is dedicated to the fault detection algorithm in itself. Here, the vibration field is assumed to be correctly measured, and is used to compute the residue of the equation, which is to be analysed to track defects. This Force Analysis Technique was first developed for harmonic excitations, but was never used to handle time-domain data. It is therefore extended to process transient data, and its implementation is compatible with both isotropic and laminated materials. It is shown that this technique allows detecting simple defects, such as added masses bonded to the plate, or inclusions. The limitations of this approach are highlighted to justify the third part of this thesis: it is necessary to distinguish between the effect of noise on the residue and the contribution of a defect. This is indeed of critical importance, especially when input data is prone to errors, such as vibration fields obtained from nearfield acoustical holography.


identifier: Thomas, P. (2019). HEAVEN for Android. An Heterogeneous Ad Hoc Network for Emergency Response  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: À ce jour, il est possible d'utiliser les téléphones intelligents comme des relais afin de créer des réseaux sans infrastructure. Humanitas, notre partenaire industriel spécialisé dans la conception de solutions sur les technologies de l'informations et de la communication (TIC), propose de s'en servir pour rétablir les communications dans des zones sinistrées où les moyens de communication seraient coupés. Leur objectif est de permettre la création de ce type de réseau en utilisant des micro-ordinateurs installés sur des drones, ainsi que des téléphones personnels roulant sous iOS ou Android. S'il est aujourd'hui possible de recréer ce type de réseau entre ordinateurs et iPhone du fait de la disponibilité de technologies faites pour sur ces plateformes, Android ne bénéficie pas du même traitement. L'état de l'art montre que les moyens présents sur Android permettent effectivement de lier les téléphones entre eux, mais de nombreux problèmes restent encore à résoudre. Il faut permettre une automatisation complète du processus, prendre en compte des limites des technologies utilisées ou bien offrir une compatibilité avec les téléphones intelligents iPhone, systèmes n'ayant que très peu de technologies compatibles avec les téléphones Android. Nous proposons dans ce mémoire, plusieurs méthodes afin de répondre à ces problématiques pour obtenir une solution de création et jonction automatique d'un réseau sans infrastructure à environnement hétérogène pour téléphones Android. Nous présenterons également des expériences sur les technologies de communications sans fil employées, de façon isolée ainsi qu' en concurrence. Ceci nous permettra de connaitre les interférences qu'elles induisent, leurs performances de communication, ainsi que l'impact énergétique sur la batterie de nos téléphones. Nous évaluerons également les algorithmes mis en place pour la gestion du réseau, cela afin de valider leur comportement et de quantifier les performances de notre solution.  ABSTRACT: Using smartphones as relays could be a solution to create ad hoc networks and temporarily replace out of order traditional telecommunications infrastructure. Humanitas, our industrial partner specialized in ICT solutions for humanitarian operations, develops a software to recreate networks in disastrous areas by leveraging low-cost computers like Raspberry pi or mobile devices, on either iOS or Android. While it is possible to establish ad hoc networks with computers or iOS devices, thanks to their made-for technologies, Google public API greatly restrict capabilities of devices to create such network with Android devices. Most of literature implementations rely on unconventional usage of the API. While they manage to reach their objective, the result is not as flexible or efficient, compatibility with other environments are eluded, and device limitations are not considered. In this thesis, we propose a solution to create or join an ad hoc network on the model of Humanitas software Heterogeneous Embedded Ad hoc Virtual Emergency Network (HEAVEN), by ensuring the compatibility with iOS devices, and by managing the capabilities of our devices. We discuss also multiple experiments designed to evaluate the performances and power usage of the wireless technologies we used, on both, stand-alone and mixed usage. This allow to know what their capabilities are and their influence. We test and validate our solution and conclude on its global performances.


identifier: Nyamsi Hendji, N. (2019). Fascia thoraco-lombaire : vers une meilleure compréhension de la biomécanique de la colonne vertébrale et de la locomotion humaine  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les travaux de recherche s'intéressant à la colonne vertébrale et sa biomécanique se sont multipliés au cours des 25 dernières années. Mais malgré tous les moyens mis pour la recherche dans ce domaine bon nombre de problématiques demeurent non résolues et les chercheurs comme les cliniciens font face à certaines impasses. Un exemple frappant concerne les cas de maux de dos qui ont atteint des proportions telles que cela est devenu un véritable problème de santé publique. D'autres pathologies liées au dos telles que la scoliose idiopathique par exemple sont encore à ce jour très mal comprises. On observe également cette problématique de manque de compréhension dans les études biomécaniques relatives à la locomotion. Ces dernières ne considèrent pas la colonne vertébrale malgré le fait que de nombreux éléments semblent confirmer la théorie selon laquelle cette dernière serait le moteur principal de la locomotion. Ces différents domaines cités en exemple nécessitent une bonne compréhension de la biomécanique de la colonne vertébrale. Or, les approches actuelles ne le permettent pas et montrent clairement leurs limites. Le besoin de nouvelles approches est donc plus que jamais une nécessité. Ce qu'il manque actuellement est une réelle compréhension des fonctions de la colonne vertébrale et ses composants. L'un de ses composants devant absolument être pris en compte est le fascia thoracolombaire (FTL). Cette structure complexe, composée de différentes couches de tissus aponévrotiques et collagéneux superposées, située dans la région lombaire du dos joue un rôle central dans la biomécanique de la colonne vertébrale. Tout l'enjeu est donc de comprendre pleinement la fonction de la colonne vertébrale en considérant également le FTL ce qui permettra d'étudier sa biomécanique du point de vue de sa fonction et non du point de vue d'une vision humaine potentiellement biaisée, fruit d'hypothèses erronées. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce projet de recherche était de déterminer si l'influence que le FTL a sur les fréquences propres de la colonne vertébrale est significative ou non, au moyen d'un modèle par éléments finis. Pour atteindre cet objectif la première étape du projet a été le développement d'un modèle numérique par élément finis de la partie lombaire de la colonne vertébrale. Pour la réalisation de cette étape un modèle passif validé de la partie lombaire L1-S1 de la colonne vertébrale a d'abord été reproduit puis les couches médiane et postérieure du FTL ont été ajoutées à celui-ci après une étude anatomique approfondie.  ABSTRACT: Over the past 25 years, the amount of research studies focusing on the spine biomechanics has increased. Despite all the financial support provided in this area researchers and clinicians are still facing major challenges and unanswered questions. The ever-increasing prevalence of Low Back Pain in our societies is a great example of those issues. Other back-related pathologies like idiopathic scoliosis remain not well understood. Biomechanical studies of human locomotion also show poor understanding by neglecting important aspects. The spine is often forgotten in those locomotion studies that only focus on the legs. Yet there is concrete evidence in favor of the spinal engine theory, which states that locomotion is first achieved by motion of the spine, and that legs are only improvements allowing a more efficient locomotion. All the aforementioned areas of research have in common the fact that a complete understanding of the spine biomechanics is needed but the actual approaches have limits that clearly do not allow for proper understanding. In fact, what is really lacking is a real understanding of the spine's function as well as its surrounding components. One of those components that must be considered in the thoracolumbar fascia (TLF). This complex collagenous structure composed of several fascial and aponeurotic sheaths or layers located in the lumbar area of the back plays a huge role in the spine biomechanics. Hence, the challenge is to fully understand the function of both the spine and the TLF in order to study their biomechanics with the right approach. The objective of this research project was to determine if the influence of the TLF on the spine natural frequencies is significant by means of a finite-element model of the lumbar spine. In order to achieve this objective, the first step was to develop the finite-element model. A previously validated simplified finite-element model of the lumbar spine (L1-S1) was first reproduced and the middle and posterior layers of the TLF were then added according to the information found in the literature. Vertebrae were modelled as rigid discs. The intervertebral discs were modelled as nonlinear beams taking into account their properties and behavior as well as the ligaments' and facet joints'. The middle and posterior layers of the TLF were modelled by individual fibers with elastic isotropic properties inserting on the back and side of the vertebrae at the different lumbar levels and merging laterally in the lateral raphe. Tensioning of the TLF was achieved by applying a lateral tensile force on the lateral raphe as seen in reality.


identifier: Pilon, J. (2019). Commande adaptative robuste par modèle de référence d'un quadricoptère  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis une dizaine d'années maintenant, les drones de type multirotor prennent une place grandissante dans le domaine civil. Ce sont cependant des systèmes naturellement instables qui nécessitent des algorithmes de commande pour fonctionner adéquatement. Bien que la modélisation et la commande des multirotors aient été largement étudiées, il reste encore à améliorer leur fiabilité pour une utilisation plus étendue. Une commande fiable nécessite une bonne connaissance des caractéristiques du drone et de sa dynamique. Toutefois, les sources d'incertitudes sont nombreuses : effets aérodynamiques, dégradation des moteurs, perturbations externes, etc. Ces incertitudes peuvent remettre en cause l'intégrité du drone et conduire à un écrasement. Dans ce contexte, la commande adaptative est une candidate idéale pour améliorer les aspects de fiabilité et de robustesse. Un contrôleur adaptatif permet d'estimer en temps réel certains paramètres incertains du système, et d'ajuster en conséquence les gains de la loi de commande afin de préserver la stabilité et la performance du système durant le vol.Parmi tous les types de commandes adaptatives, celles avec un modèle de référence sont parmi les plus utilisées en pratique. En effet, leur structure variable permet de les concevoir pour rejeter différents types d'incertitudes et de perturbations. À cette fin, il est important de bien modéliser et de comprendre d'où ces incertitudes proviennent. L'objectif de ce projet de recherche est de développer une commande adaptative par modèle de référence permettant de rejeter des incertitudes paramétriques et non paramétriques assorties et mal-assorties. Dans la première partie de ce travail, on développe la modélisation complète de la dynamique du quadricoptère. Puis, on la linéarise autour d'un point d'équilibre, celui du drone en vol stationnaire. À cette modélisation, les incertitudes et les perturbations sont ajoutées. Cela permet d'obtenir des simulations réalistes de l'appareil tout en facilitant la synthèse du contrôleur adaptatif qui devra les compenser. Dans la seconde partie de ce travail, la commande adaptative est synthétisée et déployée sur l'AscTec Pelican. Les tests effectués en laboratoire permettent de démontrer qu'elle est bien en mesure de rejeter les perturbations paramétriques et non paramétriques assorties. Toutefois, elle ne parvient pas à rejeter les effets des perturbations non paramétriques mal-assorties. Pour y parvenir, il faut ajouter modifier la loi d'adaptation lors de la synthèse afin d'augmenter sa robustesse.  ABSTRACT: For the past decade, drones of the multirotor type have been taking an increasingly big place in the civil domain. However, they are naturally unstable systems and they require control algorithms to function properly. Even though the model of multirotors has been thoroughly studied, an increase in their reliability is still necessary to expand their uses in everyday applications. A reliable control algorithm entails an appropriate knowledge of the drone's characteristics and dynamic model. However, there are multiple different sources of uncertainties: aerodynamic effects, degradation of the motors, external disturbances, etc. These uncertainties can affect the integrity of the quadrotor and, eventually, lead to a crash of the device. In this context, an adaptive controller is an excellent candidate to improve reliability and robustness of the multirotor. An adaptive controller can estimate in real time certain unknown parameters of the system. Then, it can adjust gains in the control law in order to preserve the stability and performances of the system during flight. Among all the different types of adaptive controllers, those using a reference model are the most implemented in practice. Indeed, their variable structure allows them to be designed to compensate precise sources of uncertainties. Hence, it is important to correctly model where the uncertainties come from. The objective of this research project is to develop a model reference adaptive controller that is able to compensate parametric uncertainties and matched and unmatched non-parametric uncertainties. The first part of this work is to develop a complete dynamical model for the quadrotor. Then, the model is linearized about an equilibrium point: the drone in hover flight. The uncertainties and disturbances will then be added to the linearized model. With this model, we will be able to obtain more realistic simulations while facilitating the synthesis of the adaptive controller which will compensate these uncertainties. In the second part of this work, the adaptive controller will be synthesized and deployed on the AscTec Pelican. The tests conducted in the laboratory show that the controller is capable of compensating parametric uncertainties as well as matched non-parametric uncertainties. However, the control law is not able to reject unmatched non-parametric uncertainties. Ro-bust modifications must be added to the control algorithm in order to reach this objective.