identifier: Egloff, O. (2013). Développement d'un fusible ductile pour les diagonales de contreventement faites de profilés W pour la conception parasismique de charpentes lourdes en acier  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La notion de fusible a émergé durant les deux dernières décennies à la suite de l'adoption du principe de conception sismique par capacité dans les principales normes en vigueur. Dans le cadre de la conception parasismique des charpentes d'acier dont le système de résistance aux charges latérales est formé d'une ossature à contreventement concentrique, cette pratique s'avère particulièrement pénalisante. En effet, malgré la réduction de l'effort sismique de calcul permise par la réponse inélastique de la structure via la ductilité des diagonales, les éléments non dissipateurs doivent être surdimensionnés afin de résister à la capacité maximale probable des diagonales. Les diagonales travaillant en tension-compression sont sélectionnées par rapport à leur résistance pondérée en compression et présentent, de ce fait, une capacité maximale probable en tension qui peut être largement excédentaire. Il en résulte une augmentation des efforts sollicitant les assemblages ainsi que les éléments de la structure porteuse. Lorsqu'il est formé le long d'une membrure diagonale, le fusible a pour rôle de rapprocher ses capacités axiales en tension et compression et ainsi de modérer le surcoût engendré par les contraintes précédemment citées. Plusieurs modèles développés pour les bâtiments légers d'un seul étage ont démontré leur efficacité. Il apparaît ainsi tout à fait pertinent de transposer ce concept pour les charpentes lourdes dont les diagonales sont généralement faites de profilés W. L'objectif de ce projet était donc d'étudier, à la demande de l'industrie, la faisabilité de cette variante en élaborant une méthode de dimensionnement.  ABSTRACT: In the last two decades, the concept of ductile fuses appeared as a consequence of the adoption of capacity design principle in code seismic design provisions. For steel frames, these new design rules have generally resulted in cost increases compared to past practice. The impact has been particularly severe for steel concentrically braced frames when bracing members are selected according to their factored compressive resistance. In that case, brace connections, beams, columns and other connections must be designed to resist lateral load effects that correspond to the probable tensile and compressive resistances of the braces, which are much higher than those induced by the specified seismic loads. The reduction of the seismic design forces associated to ductile inelastic response are therefore partially or completely offset. The role of ductile fuses shaped along bracing members is to keep the brace yield tensile resistance strength close to the brace compressive resistance, so that extra costs can be mitigated. Several effective ductile models have been developed for light single-storey steel buildings. Hence, it is relevant to transpose the concept for heavy steel frames where W-shapes are commonly used for the bracing members. The objectives of the project were to examine the feasibility of this variant and establish design guidelines for the system. Finite elements analysis was carried out to assess the performance of fuses shaped by locally reducing the cross section area of the member in such a way that the brace compressive strength would not be affected. However, as was observed in previous similar studies, local buckling is likely which may detrimentally impact on the brace behaviour. A buckling restraining mechanism was progressively developed and the analysis of the successive failure modes enabled to set criteria to achieve the required performance, especially the system ductility. The bending moment that develops upon overall buckling of the brace turned out to be more harmful for the fuse due to the resulting additional compressive stresses induced in the fuse. It is therefore desirable that the confinement be designed to also resist part of the bending moment acting in the fuse zone.


identifier: Alizadeh, E. (2013). Numerical and Experimental Investigation of Solid Mixing and Segregation in Tumbling Blenders  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les mélangeurs rotatifs (surtout les mélangeurs en V et les mélangeurs à tambour) sont parmi les équipements les plus utilisés pour les besoins de mélange de granules. Un des aspects dont il faut considérer lors de la conception de tels mélangeurs est la faible efficacité de brassage axial, ce qui peut entraîner des mélanges non homogènes, en particulier lorsque les propriétés physiques et d'écoulement des particules sont différentes. L'existence de granules ayant des propriétés différentes peut mener à la création de patrons de ségrégation importants. Afin de surmonter ces limitations, nous nous sommes intéressés à un appareil dénommé mélangeur tétrapodal, breveté en 1964 (États-Unis, bureau de brevets, 3,134,578). Ce mélangeur est constitué de deux paires de bras en forme de V reliées dans bas de l'appareil et où l'un des deux est tourné à 90°.  L'objectif principal de cette étude est d'examiner (autant de façon expérimentale que numérique), le mélange solide et la ségrégation à l'intérieur des mélangeurs suivants : mélangeur à tambour, mélangeur en V et le mélangeur tétrapodal. Selon la littérature, plusieurs études ont été effectuées pour investiguer la performance des mélangeurs à tambour et des mélangeurs en V. Malgré l'apparente efficacité de la forme du mélangeur tétrapodal pour le mélange solide, aucune n'a étude été effectuée pour déterminer la performance de ce type de mélangeur. Par conséquent, débuter l'étude de ce mélangeur à partir d'une version mise à l'échelle pour le laboratoire est risquée et il est essentiel de caractériser son efficacité via des outils numériques et obtenir les paramètres de conception. Parmi les techniques courantes pour simuler l'écoulement de granules, la méthode des éléments discrets (DEM) a récemment été appliquée pour étudier l'écoulement de granules dans plusieurs domaines. Cette technique de simulation s'est avérée efficace et capable d'offrir un aperçu des phénomènes qui ont lieu dans des lits de granules aussi bien que les détails sur l'écoulement et le mélange de granules. Cependant, cette technique possède des limitations dont il faut tenir compte et il faut être prudent lorsque les résultats de cette méthode de simulation sont utilisés. Donc, afin de tenir compte de ces limitations, la première étape de ce travail a été de vérifier la validité de la méthode des éléments discrets par la comparaison de ses résultats avec des données expérimentales lagrangiennes. Ensuite, en se basant sur les résultats de cette première étape, des paramètres appropriés ont été sélectionnés pour la simulation numérique afin d'étudier le mélange et la ségrégation de granules non adhésives à l'intérieur des mélangeurs rotatifs. Finalement, les données de simulation obtenues pour le mélange et la ségrégation à l'intérieur de ce mélangeur ont été validées à l'aide de données expérimentales et d'autres investigations ont été faites afin de caractériser l'effet des conditions de fonctionnement son l'efficacité.  En général, la validité de la méthode des éléments discrets est vérifiée par la comparaison avec des données eulériennes à cause du manque de résultats expérimentaux lagrangiens. Par conséquent, le but de la première étape était de comparer les résultats DEM aux données expérimentales obtenues à l'aide de la technique lagrangienne non intrusive RPT (Radioactive Particle Tracking). Des résultats de simulations ont été fournis pour la ségrégation selon la taille de granules polydisperses dans un mélangeur à tambour rotatif en mode de fonctionnement dit de roulement. Cette étape a été limitée à  la géométrie simple d'un tambour rotatif et, par conséquent, ne traite pas des effets géométriques sur le comportement de l'écoulement. De plus, dans ce travail et contrairement à la littérature où,  en général,  un mélange binaire est étudié, un mélange polydispersé de billes de verre avec une distribution précise de la taille a été employé (quatre particules de tailles différentes). Étant donné que la méthode des éléments discrets est sensible aux paramètres de simulation, des propriétés mécaniques et physiques précises de granules ont été soit mesurées par des expériences en laboratoire ou extraites de la littérature. Afin dévaluer la capacité de la méthode des éléments discrets de prédire des phénomènes différents à l'intérieur du tambour, plusieurs comportements de granules ont été examinés pour la première fois et les résultats numériques ont été validés à l'aide de données expérimentales.  Par exemple, un modèle a été introduit afin de prédire le temps de résidence le long des lignes d'écoulements dynamiques et d'évaluer le taux auquel le matériel se renouvelle à la surface libre et au niveau des couches intérieures du lit de granules. Une analyse de sensibilité du modèle basée sur la méthode des éléments discrets en fonction des paramètres d'entrées est aussi présentée, mettant l'accent sur le module de Young et sur les coefficients de frottement. Afin de faire une comparaison raisonnable entre les données expérimentales et les résultats numériques, des équations adimensionnelles du mouvement des particules dans les directions normale et tangentielle ont été établies et analysées. De plus, des nombres adimensionnels efficaces ont été introduits pour expliquer la meilleure façon de choisir les paramètres de la méthode d'éléments distincts. Les résultats de l'investigation expérimentale de l'écoulement granulaire à l'intérieur du mélangeur à tambour sont présentés dans le premier article et la comparaison entre les résultats obtenus par DEM et par ceux par RPT, ainsi qu'une analyse de sensibilité du modèle basé sur la DEM sont présentés dans le second article. Selon l'analyse effectuée pour valider les résultats de la méthode des éléments discrets, des paramètres adéquats ont été sélectionnés et plusieurs simulations ont été réalisées afin d'étudier le mélange et la ségrégation à l'intérieur du mélangeur tétrapodal et du mélangeur en V et pour comparer leur performance. Les résultats sont comparés selon le temps de mélange et l'uniformité du mélange pour divers profils de chargement, niveaux de remplissage, et vitesses de rotation. Par rapport aux mélangeurs en V, le mélangeur tétrapodal fournit une efficacité de mélange (axial et radial) meilleure, surtout lorsque les parties supérieure et inférieure du mélangeur sont tournées à 45°, ce qui rend le mélange axial aussi efficace que le mélange radial. De plus, les mécanismes qui contrôlent la ségrégation à l'intérieur du mélangeur tétrapodal ont été examinés en profondeur et des critères ont été tirés pour adapter cet équipement à l'échelle commerciale. Ce critère pour la mise à l'échelle peut être utilisé pour le mélangeur en V puisque dans les deux géométries, les particules s'écoulent sur les surfaces inclinées des mélangeurs et que la ségrégation s'effectue de manière similaire. Une performance supérieure du mélangeur tétrapodal a été observée en ce qui concerne la ségrégation des particules de tailles différentes, en comparaison avec les données disponibles dans la littérature pour les mélangeurs en V. Cependant, il faudrait investiguer davantage les pires scénarios, par exemple pour des particules dont le ratio de taille est très important et avec des densités différentes. L'analyse de tous les paramètres qui affectent la ségrégation requiert beaucoup de temps avec les ressources informatiques disponibles actuellement. Donc, il a été décidé d'étudier l'effet de tous ces paramètres expérimentalement et par la suite de valider les résultats numériques obtenus. Les résultats des simulations DEM pour le mélangeur tétrapodal et pour le mélangeur en V sont présentés dans le troisième article.  À la troisième étape, plus de 100 expériences sur le mélange et la ségrégation de granules non adhésives ont été réalisées avec le mélangeur en V et le mélangeur tétrapodal. Les expériences ont été caractérisées à l'aide d'échantillons prélevés avec une sonde voleuse. La ségrégation de granules de tailles et de densités différentes a été étudiée pour une large gamme de vitesses de rotation (5-30 RPM) et de niveaux de remplissages (35-65 %V). Il a été démontré que l'intensité de la ségrégation est de loin inférieure dans le mélangeur tétrapodal comparativement à celle du mélangeur en V conventionnel, qu'elle diminue significativement avec une augmentation de la vitesse de rotation et que l'effet du niveau de remplissage de particules n'est pas significatif. Les résultats de ces expériences et la mise à l'échelle des mélangeurs rotatifs font l'objet du quatrième article. Bien que les résultats des simulations de la méthode des éléments discrets concordent avec les résultats expérimentaux pour la dynamique des granules, quelques divergences mineures ont été observées en ce qui concerne les taux de mélange. Une source importante d'erreurs dans les simulations DEM provient de la qualité des prédictions des modèles de forces de contact. Par exemple, les modèles sur la force de contact normale n'arrivent pas à prédire un comportement de restitution d'énergie adéquat lorsque la vitesse d'impact normale augmente. En particulier, la plupart des modèles non linéaires prédisent une force d'attraction nette vers la fin de la collision entre deux particules qui s'entrechoquent; ceci n'est pas réaliste d'après les résultats de la littérature. Ces limitations ont donné un nouvel élan pour développer un modèle de force de contact normale capable de prédire le déroulement d'une collision entre deux particules. Ce modèle comprend une force élastique hertzienne et une force dissipative évaluée par le mouvement d'un liquide non newtonien dans un amortisseur. Les paramètres du modèle sont déterminés à l'aide de données de restitution expérimentales pour des contacts particule/particule et particule/mur. Dans le travail actuel, les mesures de restitution d'énergie pour les collisions particule/mur ont été réalisées à l'aide de plusieurs matériaux avec une large gamme de vitesses d'impact,  contrairement aux données de collision particule/particule qui ont été obtenues dans la littérature. Des prédictions de modèles pour des quantités microscopiques (i.e. vitesse de particule) et macroscopiques (i.e. temps de collision) ont été présentées et comparées avec celles d'autres modèles non linéaires et de données expérimentales. Il a été observé que le modèle prédit adéquatement le coefficient de restitution et il diminue la force d'attraction à la fin d'une collision. Notre nouveau modèle pour la force de contact est présenté dans le cinquième article. En conclusion, les résultats scientifiques de ce travail ont mené à quatre types de contributions. En premier, les découvertes de cette recherche dans le cas de mélangeurs rotatifs peuvent faciliter une conception efficace des procédés de mélanges solides. Deuxièmement, la performance du mélangeur tétrapodal fut investiguée pour la première fois. Il est recommandé d'utiliser un mélangeur tétrapodal, lorsqu'il y a des problèmes avec les mélangeurs conventionnels concernant le temps de mélange ou lorsqu'il y a la présence de produits non homogènes causés par des mécanismes de mélange moins efficaces ou parla ségrégation. Troisièmement, il a été montré originalement pourquoi la méthode des éléments discrets génère des résultats acceptables, même si des paramètres physiques erronés sont utilisés. Finalement,  notre modèle précis de force de contact peut être appliqué dans des simulations basées sur la méthode des éléments discrets afin d'obtenir des résultats plus fiables.  ABSTRACT: Tumbling blenders (especially V-blenders and rotating drums) are among the most commonly used equipment for granular mixing purposes. One aspect that must be addressed when designing such mixing devices is low axial mixing efficiency, which can lead to non-homogeneous mixtures, especially when the physical and flow properties of the particles brought into play are different. Existence of granules with different properties inside tumbling blenders could lead to significant segregation. To overcome these limitations, we recently undertook an interest in the so-called tetrapodal mixing device, patented in 1964 (USA patent office, 3,134,578). This blender can be described as two V-shaped pairs of arms connected at the bottom whereby one is twisted by 90◦. The main objective of this study is to investigate (both numerically and experimentally) solid mixing and segregation in the following tumbling blenders: rotating drum, V-blender and tetrapodal blender. There are several studies in the literature that have been performed to investigate the performance of rotating drums and V-blenders. However, despite the seemingly effective shape of the tetrapodal blender for solid mixing, there have not been any studies to investigate the performance of this blender. Therefore, investing in manufacturing a lab-scale version of such a blender at first step is risky and it is of interest to characterize its efficiency via numerical tools and obtain design parameters. Among the common techniques for simulating granular flow, the discrete element method (DEM) has recently been applied to investigate the granular flow in many applications. This simulation technique has been proven to be efficient in providing insight into phenomena occurring in granular beds as well as details about the flow and mixing of granules. However, this technique suffers from some limitations that one should be vigilant when using the results of this simulation method. Therefore, to offset these limitations the first step of this work was to check the validity of DEM-based model by comparing its results with Lagrangian experimental data. Next, based on the results of first step, appropriate parameters were chosen for DEM-based model to investigate the mixing and segregation of non-adhesive granules inside the tumbling blenders. Finally, the simulation findings of mixing and segregation were validated using experimental data and further investigations were performed to characterize the effect of operating conditions on blender efficiency. Generally, the validity of DEM-based model has been checked by comparing it with Eulerian data due to the lack of Lagrangian experimental results. Accordingly, the aim of the first step of current work is to compare DEM results to experimental data obtained using Lagrangian non-intrusive radioactive particle tracking (RPT) technique. The simulation results are reported for the size segregation of polydisperse granules in a rotating drum when operating in rolling mode. This step was restricted to a simple geometry of a rotating drum and, as a consequence, does not look into geometrical effects of flow behavior. Moreover, contrary to the literature where a binary mixture has generally been the subject of study, in this work a polydisperse mixture of glass beads with a precise particle size distribution was employed (four different sized particles). Given that the DEM is sensitive to simulation parameters, accurate mechanical and physical properties of granules were either measured experimentally or extracted from the literature. To capture the ability of DEM in predicting different phenomena inside the drum, using these numerical results, several granular behaviors were investigated for the first time and validated through the experimental data. For instance, a model was introduced to predict the residence times along streamlines and evaluate the rate at which the material renews at the free surface and within the inner layers of the bed. A sensitivity analysis of the DEM-based model with respect to the input parameters is then presented, with an emphasis on the Young's modulus and the friction coefficients. To enable a fair comparison between the experimental data and the numerical results, dimensionless motion equations for the particles in normal and tangential directions were subsequently derived and analyzed. In addition, effective dimensionless numbers were introduced to explain how best to choose DEM parameters. The results of the experimental investigation of granular flow inside the rotating drum is the subject of the first research paper and the comparison between DEM and RPT results as well as the sensitivity analysis of the DEM-based model are presented in the second paper. Based on the analysis performed for the validation of DEM-based model, adequate parameters were chosen and several simulations were carried out to investigate the mixing and segregation of granules inside the tetrapodal blender and V-blender to compare their performances. The results are compared on the basis of mixing time and mixture uniformity for different loading profiles, fill levels and rotational speeds. Compared to the V-blender, the tetrapodal blender provides better (axial and radial) mixing efficiency, especially when the upper or lower part of the blender is twisted by 45◦ making the axial mixing as efficient as the radial mixing. Moreover, mechanisms that govern the segregation inside the tetrapodal blender were thoroughly investigated and a criterion was derived for the scaling-up of this device. Such a criterion for scale-up could be extended to the V-blender since in both blenders, particles slide on the inclined surfaces of the blender arms and segregation happens in a similar manner. Superior performance of the tetrapodal blender was observed in the case of size segregating granules when compared with the data reported in the literature for V-blenders. However, additional investigation was needed for unfavorably worst-case scenarios such as granules with large size and/or density ratios. Investigation of all affecting parameters on the segregation intensity with the DEM-based model is time-consuming with current computing facilities. Therefore, it was decided to study the effect of all these parameters experimentally and in addition validate the obtained numerical findings. The results of DEM simulations in the tetrapodal blender and the V-blender are presented in the third research paper. In the third step, more than 100 experiments were carried out on mixing and segregation of non-adhesive granules in both the tetrapodal blender and the V-blender. The experiments were characterized using thief sampling. Segregation of granules with different sizes and densities were investigated over a wide range of rotational speeds (5-30RPM) and fill levels (35-65%V). It was observed that the segregation intensity is far less important in the tetrapodal blender than in the V-blender and it decreases significantly with an increase in the rotational speed, while the effect of the fill level is insignificant. The results of these experiments and scale-up of the tumbling blenders are presented in the fourth paper.  Although good agreements were observed between the DEM simulation results and experimental data especially when the dynamics of granules were considered, some minor discrepancies were observed regarding the mixing rates. Most of such errors arise mainly from inappropriate simulation parameters as well as weak predictions of contact force models. The former was discussed in the first step of this work, but the latter indeed requires more investigation. Contact force models suffer from some limitations. For instance, normal contact force models regularly fail to predict an adequate energy restitution behavior with increasing normal impact velocity. In particular, most non-linear models predict a net attraction force between two impacting particles near the end of a collision; this is unrealistic according to reported results. Such limitations have provided the impetus for the development of a normal contact force model that better predicts the unfolding of a collision between two particles. This model comprises a Hertz elastic force and a dissipative force that is evaluated by the motion of a non-Newtonian liquid in a dashpot. The model parameters are set using experimental restitution data for particle/particle and particle/wall contacts. In the current work, the measurement of energy restitution for particle/wall collision was carried out using several materials over a wide range of impact velocities, whereas particle/particle collision data were obtained from the literature. Model predictions for microscopic (e.g. particle velocity) and macroscopic (e.g. collision time) quantities were presented and compared with those from other non-linear models and experimental data. The model was observed to adequately predict the coefficient of restitution and to decrease the attraction force at the end of a collision. Our new contact force model is presented in the fifth paper. As a conclusion, the scientific findings of this work contribute to four categories of applications. Firstly, the deep findings of this work in the case of tumbling blenders may facilitate the design and scale-up of more efficient solid mixing processes. Secondly, the performance of the tetrapodal blender was investigated for the first time. It is recommended to use a tetrapodal blender, where there are issues with conventional mixers regarding mixing time or non-homogenous products that may be a result of less efficient mixing mechanisms or segregation of ingredients. Thirdly, it was originally shown why the DEM-based model yields acceptable results even when wrong physical parameters are used. Lastly, our accurate contact force model could be applied in DEM-based simulations to obtain more reliable results.


identifier: Ragusich, A. (2013). Ablation par laser pulsé de revêtements antiérosion pour le domaine aéronautique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les revêtements antiérosion sont grandement utilisés par l'industrie aérospatiale pour augmenter la durée de vie de certaines pièces critiques au fonctionnement des moteurs à réaction. Par contre, après plusieurs heures en service, le revêtement finira inévitablement par se détériorer. Étant donné le prix croissant du titane et le coût de fabrication des composants,les fabricants de moteurs désirent réusiner les pièces, à base d'alliages de titane, en élevant le revêtement dysfonctionnel tout en limitant les dommages au substrat durant lagravure. Cette recherche s'inscrit dans le projet industriel MANU 4, chapeauté par le CRIAQ et le CRSNG, qui vise à étudier la faisabilité d'enlever un revêtement antiérosion déposé sur un substrat de Ti-6Al-4V à l'aide de trois techniques différentes : la gravure chimique, la gravure par plasma et l'ablation par laser pulsé. Ce memoire se concentre plus spécifiquement sur l'ablation par laser pulsé d'un revêtement de 20 m de TiAlN déposé sur un substrat de Ti-6Al-4V, en comparant la potentialité de deux lasers : un laser TiSapphire femtoseconde émettant à 800 nm avec à un laser excimer de KrF nanoseconde centré a 248 nm. Ces deux lasers ont été choisis puisqu'ils sont fréquemment utilisés pour le microusinage et permettent de comparer l'effet de la longueur d'onde et de la durée de l'impulsion. Des essais préliminaires ont d'abord permis d'identifier quatre variables ayant le plus d'impact sur le taux de gravure et la rugosité de surface : (i) la taille du faisceau, (ii) la puissance du laser, (iii) la vitesse du porte-échantillon, et (iv) le pas entre chaque ligne balay ée. Pour chaque laser, les conditions optimales d'ablation ont été obtenues en variant un paramètre à la fois. Au final, la grande énergie par impulsion offerte par le laser excimer permet d'accélérer d'un ordre de grandeur le taux de gravure, mais augmente de 1 m a 1.8 m la rugosité moyenne de la surface, par rapport à celle obtenue avec le laser Ti :Sapphire. Contrairement aux autres méthodes, l'ablation par laser pulsé a le potentiel d'offrir une très grande sélectivité. Pour ce faire, la spectroscopie d'émission de la plume a été étudiée pour suivre in situ la progression de la gravure, dans le but de déterminer le moment précis ou le faisceau laser atteignait la surface du substrat. Malgré les similarites chimiques entre le revêtement et le substrat, on démontre qu'il est possible de suivre, en temps réel, la décroissance d'un pic d'azote par rapport à un pic de titane toujours présent pour diagnostiquer la fin de la gravure. Toutefois, plus d'efforts doivent être déployés pour definir un critère  ABSTRACT: Erosion resistant coatings (ERCs) are frequently used to protect aircraft engine components against erosion, and therefore, to extend their lifetime and reduce maintenance cost. However, after many hours in service, certain areas of the coating will begin to deteriorate. Given that such components are generally very costly, it is desirable to replace only the coating instead of the part itself. This research is part of the MANU 4 project, supported by CRIAQ and NSERC, which aims to study the feasibility of stripping an erosion-resistant coating deposited on a titaniumbased alloy with three dierent techniques: wet chemical etching, plasma etching and pulse laser ablation. This thesis focuses more specically on the etching with a pulsed laser of a 20-m thick TiAlN ERC deposited on a Ti-6Al-4V substrate. This work compares the suitability of two pulsed lasers: a femtosecond Ti:Sapphire laser emitting at 800 nm and a nanosecond KrF excimer laser centred at 248 nm. These two lasers were chosen since they are frequently used for micromachining applications and allow us to study the effect of the wavelength and pulse duration. Preliminary findings have allowed us to identify four most critical variables that influence the etch rate and the surface roughness: (i) beam size, (ii) laser power, (iii) stage speed, and (iv) step distance between scanned lines. For each laser, optimal etching conditions were obtained by varying a single parameter at a time. Final results show that the higher energy per pulse offered by the excimer laser allows one to increase by one order of magnitude the etch rate, but almost doubles, from 1 m to 1.8 m, the surface roughness, in comparison with results obtained with the Ti:Sapphire laser. Compared with other techniques, pulse laser ablation has the potential to offer very high selectivity. In this regard, plume emission spectroscopy was studied as an in situ technique to monitor the etching progress and determine the precise moment when the laser beam reaches the surface of the substrate. Despite chemical similarities between the coating and the substrate, we show that it is possible to monitor the decrease of the nitrogen line with respect to the titanium reference peak in order to diagnose, in real time, when the etching process should stop. Yet, more effort is still needed to define more precisely the etch stop criteria as a function of the applied laser fluence.


identifier: Perea, D. E. (2013). Efficient Methods for Resource Allocation in Multi-Antenna Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse, nous proposons une solution au problème d'allocation de ressources d'un système MISO (Multiple Input Multiple Output) – OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) supportant des usagers requérant un débit de transmission minimal. Ce problème peut être modélisé comme une optimisation non-linéaire mixte avec variables entières. Nous nous sommes intéressés dans cette thèse à diverses méthodes permettant la  résolution d'un tel problème.  La première approche étudiée utilise une méthode hors-ligne et permet d'obtenir une solution quasi-optimale qui peut être utilisée comme références pour évaluer la performance d'algorithmes heuristiques pouvant être réalises en temps réel. Pour ce faire, nous cherchons une allocation réalisable en se basant sur la solution optimale du problème dual. Nous obtenons la fonction duale et trouvons la solution à l'aide d'un algorithme itératif à sous-gradient. Cette solution permet d'obtenir une borne supérieure à la solution optimale. D'autre part, nous développons une heuristique basée sur la solution du problème dual pour obtenir une solution réalisable du problème primaire qui constitue une borne inferieure à la solution optimale. Ces bornes nous permettent d'établir que l'écart de dualité est petit pour les configurations étudiées et elles peuvent servir de référence pour l'évaluation de performances des algorithmes heuristiques. La formulation duale nous fournit aussi une meilleure compréhension du sujet en établissant un lien entre la réalisabilité de l'allocation de ressources et les débits minimaux requis par les usagers.  Afin d'obtenir des méthodes de résolution plus pratiques pouvant être réalisées en temps réel, nous proposons deux heuristiques ayant une faible complexité et permettant d'atteindre des performances assez prés des performances optimales. Les performances ainsi obtenues sont légèrement moins bonnes que celles d'autres algorithmes qu'on retrouve dans la littérature, mais supportent une plus grande plage de valeurs de débit minimal tout en réduisant la complexité de l'algorithme d'allocation de ressources de plusieurs ordres de grandeur. L'écart entre la solution trouvée par ces algorithmes heuristiques et la borne supérieure duale est relativement faible. Par exemple, l'écart est de 10.7% en moyenne pour toutes les configurations étudiées. L'augmentation dans la plage de débits minimaux supportes compares avec les méthodes disponibles dans la littérature est de 14.6% en moyenne. Cette amélioration est obtenue en considérant les variables duals de contrainte de débits minimaux dans l'allocation de puissance aux usagers. L'algorithme heuristique proposé sélectionne un ensemble d'usagers pour chaque sous-porteuse, mais contrairement aux autres méthodes proposées précédemment, l'algorithme considère l'ensemble des usagers avec des contraintes de débits minimaux dans la réassignation des sous-porteuses pour s'assurer que le niveau de service requis est rencontre. Suite à la sélection des ensembles d'usagers, un problème d'allocation de puissance convexe est résolu. Des algorithmes permettant de résoudre efficacement et en un temps moindre les problèmes d'assignation des sous-porteuses aux usagers et d'allocation de puissance sont proposées dans cette thèse.  Finalement, nous étudions aussi de quelle façon ces algorithmes peuvent être utilises pour résoudre le problème d'allocation de ressources dans une cellule utilisant la technologie LTE (Long Term Evolution)-Advanced. Les méthodes étudiées dans cette thèse font partie d'un nouvel ensemble d'algorithmes nécessaires pour supporter des applications temps réel à haut débit et a l'efficacité spectrale requise dans les prochains réseaux d'accès sans-fil de quatrième génération.  ABSTRACT: In this dissertation, we solve the Resource Allocation (RA) problem of a Multiple Input Single Output (MISO) – Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) sys¬tem supporting minimum rates. This problem can be modelled as a non-linear Mixed Integer Program (NLMIP). We are interested in various kinds of methods to solve this problem. First, our focus is on an oﬀ-line method that gives near-optimal solutions that serve as benchmark for more practical methods. For this purpose, we propose a method based on the optimal solution of the dual problem. We obtain a dual function and solve the dual problem through subgradient iterations. Then, we find upper and lower bounds for the optimal solution and verify that the duality gap is small for the system configurations studied. Therefore, the dual optimal serves as a reference for any feasible solution produced by the heuristic methods. The dual formulation also gives a better insight into the problem, as it shows us the relation between the problem's feasibility and the minimum rate requirements. To obtain more practical methods, we propose two heuristics that have very low com-putational complexity and give performances not far from the optimal. We compare their performance against other methods proposed in the literature and find that they give a somewhat lower performance, but support a wider range of minimum rates while reducing the computational complexity of the algorithm by several orders of magnitude. The gap be¬tween the objective achieved by the heuristics and the upper bound given by the dual optimal is not large. For example, in our experiments this gap is 10.7% averaging over all performed numerical evaluations for all system configurations. The increase in the range of the sup¬ported minimum rates when compared with the method reported in the literature is 14.6% on average. This increase is achieved by considering the rate constraint dual variables in the user power allocation stage. The proposed heuristics select a set of users for each subcarrier, but contrary to other reported methods used to solve the throughput maximization problem, they consider the set of real-time (RT) users to ensure that their minimum rate requirements are met. Then, they solve a power allocation problem for ﬁx subcarrier assignment, which is a convex problem that is simpler to solve. We use efficient algorithms for the subcarrier assignment and power allocation stages to solve the problem much quicker. Finally, we adapt the algorithms to solve the RA problem in a single cell using LTE (Long Term Evolution)–Advanced technology. The methods examined in this dissertation are part of the new set of algorithms needed to support the high rate applications and spectral efficiency required in the wireless access of upcoming 4G networks.


identifier: Abdelgawad, B. (2013). Design of a Gas-Solid Fluidized Bed Reactor at High Temperature and High Pressure  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nombreux procédés de raffinage et de pétrochimie sont réalisés dans des réacteurs agités ou dans les lits fluidisés qui impliquent des fluides polyphasiques dans des conditions extrêmes. L'utilisation de haute température et / ou haute pression lors de la conversion et la manipulation de fluides, se traduit par des conditions de traitement extrêmes pour lesquelles l'hydrodynamique demeure inconnu. En conséquence, avec seulement quelques études à haute température et très peu à haute température et haute pression, le développement de nouveaux modèles et de critères de conception lors de l'utilisation de conditions extrêmes est donc d'un intérêt immédiat pour Total, le partenaire industriel de cette chaire de recherche.  L'objectif de ce mémoire est d'examiner, ainsi que de comparer les modèles déjà publiés sur la fluidisation dans des conditions ambiantes et extrêmes, tout en mettant l'accent sur les informations nécessaires à la conception de réacteurs gaz-solide. Par conséquent, une conception détaillée d'un lit fluidisé qui permettrait un fonctionnement flexible à haute température et à haute pression sous plusieurs vitesses de gaz sera menée afin de servir pour le futur développement de nouveaux modèles hydrodynamiques.  Afin d'illustrer la nécessité de ce réacteur pilote, les effets résultant de l'utilisation de conditions d'opération extrêmes (haute température, pression et vitesse) sur la fluidisation et plus précisément la taille des bulles ont été démontrées. Ainsi, trois corrélations de taille de bulles ont été choisies: la première pour avoir été modélisée à haute pression et vitesse, la deuxième pour avoir été développée à haute température et la troisième pour avoir été une des corrélations les plus couramment citée dans les livres de conception de réacteur à lit fluidisé. Aucun de ces modèles a fourni des valeurs acceptables au-delà de sa plage désignée. En outre, l'effet de diamètre de bulles sur le transfert de masse, ainsi que sur la conversion, le taux d'entraînement et la hauteur limite de désengagement (TDH) a été étudiée tout en appliquant chacun des différents modèles de taille de bulles. Ainsi, plusieurs divergences ont été notées entre les résultats obtenus et les tendances attendues. En utilisant des représentations graphiques de l'entrainement en fonction de la hauteur au dessus du lit, TDH a été jugée indépendant de la taille des bulles. De plus, celui-ci varie avec la température, la pression et la vitesse, ce qui est contraire à plusieurs corrélations existantes. Par ailleurs, à des vitesses élevées, malgré l'obtention d'une grande valeur du TDH à la fois graphiquement et en utilisant les différents modèles existants, les changements globaux dans le taux d'entrainement total sont négligeables. Par conséquent, dimensionner la zone de désengagement a partir de TDH tel que suggéré par la plupart des livres de conception de réacteurs à lits fluidisés, pourrait ne pas être rentable. De plus, en utilisant différents diamètres de bulles lors du calcul de la conversion du méthane dans la réaction de reformage, ce besoin de développer de nouveaux modèles a été une autre fois démontré à travers l'obtention de résultats qui diffèrent des valeurs attendues lorsque les paramètres d'opération sont changés.  Ainsi, avec ce besoin de développer de nouveaux modèles de fluidisation aux conditions extrêmes illustrées, la conception complète d'un réacteur à lit fluidisé et son procédé a été menée. Les conditions d'opération ont été choisis afin de servir en tant qu'une extrapolation adéquate à la réalité industrielle. Les dimensions du réacteur ont été choisis afin de permettre la comparaison avec un réacteur qui fonctionne à haute température existant actuellement dans notre laboratoire. En outre, ces conditions ont également été choisies tout en respectant les contraintes définies par le compresseur ainsi que les limites départementales liées à l'installation de ce réacteur au sein de l'université. Ce réacteur sera donc opéré à des températures de 25 à 1000°C et des pressions entre 1 et 20 atm, avec  un diamètre de 15 cm à la base et 50 cm pour la zone de désengagement. La vitesse du gaz sera comprise entre 0,1 m/s et 2 m/s afin de couvrir le régime bouillonnant ainsi que le régime turbulent.  Du sable ou autre type de catalyseur sera utilisé en tant que matière du lit. La taille de particule moyenne sera donc comprise entre 60 um et 500 um, de manière à inclure les particules de type Geldart A et B, avec une densité allant de 1 à 2.5g/cm3. De l'air comprimé provenant de trois différents compresseurs sera utilisé en tant que gaz de fluidisation. Afin de chauffer le réacteur aux températures requises, un système de chauffage a été conçu. Ce système comprend une conduite isolée où un appareil de chauffage électrique à haute pression capable de résister à des faibles débits sera attaché. Cet appareil de chauffage électrique sera utilisé pour préchauffer la conduite jusqu'à ce que la température d'auto-inflammation du gaz naturel est atteinte. À ce moment, le gaz naturel sera introduit avec l'air comprimé à travers des ports situés le long de la conduite. Ce système de chauffage est alors relié à la boîte à vent qui a été conçue pour permettre une conversion du méthane de plus de 99% afin d'assurer une réduction  maximale de la concentration du monoxyde de carbone résultant de la combustion du gaz naturel.  De plus, pour s'assurer d'obtenir une fluidisation équitable à travers le lit, un distributeur à tuyères a été conçu afin de permettre une flexibilité d'opération sous les conditions choisies. Pour empêcher l'entraînement des particules hors du réacteur, un cyclone ainsi qu'un filtre à haute température seront placés en série à l'intérieur de la zone de désengagement. Enfin, afin d'assurer que les vannes de régulation en aval du réacteur ne soit pas soumises à des températures supérieures à 300C, de l'eau distillée provenant d'un réservoir sous pression, sera pompée dans un purgeur vapeur à la sortie du réacteur. Ainsi, l'atteinte de l'objectif de ce travail consistant en la conception d'un réacteur gaz-solide à lit fluidisé pour un fonctionnement souple sous des conditions ambiantes et extrêmes, a été réalisé à travers une description détaillée du procédé et une procédure d'opération.  ABSTRACT: Numerous processes of refining and petro chemistry involve multiphase fluids at extreme conditions, and are realized in agitated reactors or in fluidized beds. The use of high temperature and/or high pressure during conversion and handling of high viscosity materials and/or viscosity ratios results in extreme processing conditions for which the multiphase process hydrodynamics are completely unknown. Subsequently, with only a few studies at high temperature and almost none at high temperature and high pressure, general and reliable design criteria for the use of extreme conditions are scarce and therefore are of immediate interest to Total, the industrial partner of this research chair.  The aim of this work is to review and compare the already published models on fluidization at ambient and extreme conditions with emphasis on the information necessary for designing gas-solid reactors. Consequently, a detailed design of a fluidized bed reactor that would allow flexible operation at high temperature and high pressure at several gas velocities will be conducted in order to serve for the future development of new hydrodynamic models.  In order to illustrate the need for this laboratory scale reactor, the effect of using extreme operating conditions (high temperature, pressure and velocity) on fluidization and more specifically bubble size were demonstrated. Three bubble size correlations were chosen: the first for being respectively modeled at high pressure and velocity, the second for being modeled at high temperature and the third for being one of the most commonly used models in design books. None of these correlations provided acceptable values beyond their designated range. Furthermore, the impact of bubble diameter on mass transfer, reaction conversion, entrainment and the transport disengaging height (TDH) were studied through the application of each of these bubble size models.  By doing so, several discrepancies between the obtained results and the expected trends were highlighted. Using entrainment plots, TDH was found to be independent of bubble size and vary with temperature, pressure and velocity, which is contrary to several existing correlations.  Moreover, at high velocities, despite obtaining a large TDH value both graphically and by using the existing models, the overall changes in the total flux are negligible which would imply that sizing the freeboard accordingly, as suggested by most design books, might not be profitable.  By using different bubble diameters while computing the conversion of methane in the methane steam reforming reaction, the need for new models was once more demonstrated with different operating conditions providing different results from the expected trends.  With the need for new fluidization models at extreme conditions illustrated, the complete design of a fluidized bed reactor and its respective process was conducted. The operating conditions were chosen as an adequate extrapolation to industrial reality, while the reactor dimensions were chosen based on an existent reactor currently operating at high temperature in our laboratory. Furthermore, these conditions were also chosen while respecting the constraints defined by the compressor and the inherent limitations of the university experimental facility. The temperature of operation will be varied from room temperature to 1000 oC and the pressure will range from atmospheric pressure up to 20 atm. The reactor's bed diameter is 15 cm at the bottom with a freeboard diameter of 50cm. The gas velocity will range from 0.1 m/s up to 2 m/s in order to cover the bubbling and turbulent regime. The bed material will be sand or another type of catalyst with a mean particle size ranging from 60 μm up to 500 μm, so as to cover Geldart A and B particles, and a specific gravity ranging from 1 to 2.5g/cm3. The chosen fluidization medium will be compressed air that will be provided by three different compressors.  In order to heat up the reactor to the required temperatures, a heating system was designed. This heating system comprises of an insulated pipe where a high pressure electric heater capable of withstanding low flowrates is attached. This electrical heater will be used to preheat the pipe until the auto-ignition temperature of natural gas is achieved. At this point, natural gas will be fed to the pipe along with the compressed air. This heating system will be connected to the windbox which was designed to allow over 99% conversion of methane to ensure that carbon monoxide concentration resulting from the natural gas combustion is at a minimum.  In order to provide even fluidization, a bubble cap distributor was designed to allow flexibility and freedom of operation under the chosen conditions. To prevent solid entrainment out of the reactor, a cyclone and high temperature filter will be placed in series inside the freeboard. Finally, in order to ensure that the control valve downstream of the reactor would not be subjected to temperature higher than 300C, distilled water from a pressurized tank will be pumped in a steam trap at the reactor exit in order to reduce the temperature of the gas.  With a detailed process description and operating procedure provided, the objective of this work of designing a gas-solid fluidized bed reactor and its utilities for flexible operation from ambient conditions up to high temperature and high pressure, were successfully met.


identifier: Kashi, S. (2013). Utilisation de procédés de microfabrication pour la réalisation de modules thermoélectriques à base d'alliages (Bi,Sb)2(Te,Se)3  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La fabrication des modules thermoélectriques (MTE) se résume la plupart du temps à des techniques presque manuelles et ne conviennent pas pour des modules à haute densité de puissance et donc de petites dimensions, dont la longueur des pattes est inférieure au millimètre. Une grande partie de la recherche essaie de diminuer au maximum la hauteur des pattes des MTE, certaines approches allant même jusqu'à la déposition de couches minces de matériau thermoélectriques (TE). Toutefois, encore aujourd'hui, les meilleures performances de modules produits à l'échelle industrielle sont obtenues sur des MTE fabriqués à base de matériaux massifs. Plusieurs essais ont été faits dans le but de miniaturiser ce type de module, mais jusqu'à maintenant, ils n'avaient pas réussi à rivaliser en termes de performances avec les modules conventionnels. Le but de ce projet est d'utiliser des outils et des méthodes issues de la microfabrication pour les appliquer à la fabrication de MTE à haute densité de puissance fabriqués sur des alliages TE produits par mécano-synthèse et extrusion à chaud. La précision découlant de la microfabrication, couplée avec une certaine automatisation réalisée au cours de ce projet, permettrait d'améliorer les performances et la production à l'échelle industrielle de ces dispositifs. Une succession d'étapes a été élaborée et testée en laboratoire afin de réaliser des MTE de 6,6 mm de côtés et de 1 mm de hauteur de pattes, basés sur des alliages de (Bi,Sb)2(Te,Se)3 de type p et n produits par extrusion à chaud. Cette succession d'étapes comprend trois grandes parties : les traitements de surface, les méthodes de microfabrication et les assemblages par chauffage dans une structure en acier créée pour l'occasion. Après avoir découpé des gaufres des deux types (p et n), nous les avons polis, faits subir un électropolissage et une attaque chimique avant de déposer une couche de nickel qui sert (entre autres) de barrière à la diffusion. Une photolithographie utilisant deux résines a permis de définir un motif sur ces gaufres où l'on a fait venir croitre par dépôt électrolytique de l'étain pur. Le premier assemblage a alors permis de souder les gaufres (p et n) à des plaques d'alumine avant de libérer par sciage les pattes TE. L'assemblage final a permis de créer les modules finaux par soudage des parties contenant les pattes de type p et n.  ABSTRACT: The production of thermoelectric devices uses nearly handmade techniques as an industry standard. These techniques are not suitable for the fabrication of smaller devices, where thermoelements are shorter than 1 millimetre. Researchers are focusing on how to decrease the height of thermoelements in a device, to the extent of depositing thermoelectric thin films. However, the best thermoelectric performances are obtained on modules fabricated from bulk material. Many tests were made to decrease the overall size of these devices, but until now, they would not permit to obtain the same range of performances as industrial devices. The aim of this project is to use microfabrication processes to obtain high power density thermoelectric devices. The precision obtained with the use of microfabrication techniques and automated methods has the potential to increase the performance and the industrial production of these devices. Fabrication steps were designed and tested in the facilities of the École Polytechnique de Montréal to create hot extruded p-type and n-type (Bi,Sb)2(Te,Se)3 alloy based thermoelectric devices. These steps can be listed in three different categories, surface treatments, microfabrication methods and hot assembly. After cutting, p-type and n-type wafers were polished, underwent electropolishing and chemical etching before a diffusion barrier layer of nickel was deposited. Photolithography printed a pattern on the samples, where tin was then electroplated. A first assembly allowed soldering samples of each conduction type to alumina plates, before cutting the sample to free the thermoelements. A final assembly then created the finished devices by soldering of the two parts containing p-type and n-type thermoelements. The produced devices were functional, validating the designed steps. Electrical characterization of the best modules obtained indicate that the electromotive force is comparable to that of commercial modules under the same conditions; however the efficiencies are still a factor of five lower. This fabrication process leads to a greater miniaturization of thermoelements and also has a potential for automation, with further developments needed (in particular concerning the final assembly) to achieve this goal.


identifier: Petit, F. (2013). Détection, visualisation et communication de défauts dans les modèles géométriques et les maillages  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire traite de problèmes rencontrés dans le cadre des premières étapes de la conception de pièces en lien avec la mécanique des fluides. En particulier, on s'attardera sur la méthodologie utilisée afin de détecter et communiquer des erreurs que peuvent rencontrer les concepteurs de pièces mécaniques, et en particulier de composantes de turbines hydroélectriques, lors du design préliminaire et des premières simulations numériques. En effet, lors des premières phases de design, il est souvent nécessaire d'obtenir un modèle mathématique complet de la pièce conçue afin de pouvoir évaluer son comportement final sans avoir à en réaliser un prototype. Ces modèles sont le plus souvent réalisés selon les normes de la représentation frontière (Boundary REPresentation, BREP) où les volumes ne sont définis que par les surfaces qui les délimitent.  Cette méthode de modélisation, associée aux courbes paramétriques (en général de type Non Uniform Rational B-Spline (NURBS) ), permet de modéliser des géométries extrêmement complexes tout en utilisant des entités mathématiques (courbes, surfaces) assez simples. Cela permettra, par la suite, de réduire les temps de calcul nécessaires pour les simulations ou les rendus graphiques.  Cette simplification des entités utilisées entraîne par contre des approximations, notamment au niveau des jonctions entre entités de même dimension (par exemple, deux surfaces jointives peuvent ne pas se suivre exactement le long de l'arête commune). Afin d'assurer l'étanchéité des volumes, différentes solutions sont utilisées. Celle qui a été choisie au sein de la série de logiciels basés sur la librairie Pirate est l'utilisation d'une topologie afin de spécifier quelles sont les entités coïncidentes. Mais ces solutions peuvent présenter des erreurs, par exemple si deux entités déclarées correspondantes sont en réalité géométriquement éloignées. Ces erreurs, si non corrigées, se retrouvent généralement dans les maillages générés à partir de ces modèles BREP, et donc ont une influence sur la qualité des simulations qui peuvent être effectuées ensuite. Le premier aspect de ce mémoire traite des moyens qui ont été mis en place au sein du logiciel TopoVisu afin de détecter et de visualiser les erreurs présentes au sein des modèles BREP et des maillages utilisés lors de l'étape de conception. Le second aspect de ce mémoire traite d'une des origines principales des erreurs citées précédemment : la conservation et le transfert des données. C'est à ce niveau que de nombreuses erreurs apparaissent. En effet, le passage d'un format de fichiers à un autre peut s'avérer extrêmement néfaste pour un modèle, et cela peut poser problème si on change d'application, mais aussi si on passe à une autre version d'une même application. La solution proposée ici est l'exportation native vers un format de données ayant un bon niveau de maintenance et d'utilisation qui permettra de favoriser sa pérennité. Le format qui a été choisi pour cette fonction est le Portable Document Format, avec inclusion de modèles en trois dimensions (PDF 3D). Les éléments 3D sont inclus dans le format Product Representation Compact (PRC), car ce format est compatible avec la norme ISO 10303 (Standard for the Exchange of Product model data, STEP) qui est au cœur de beaucoup de modélisations BREP, dont celle de la librairie Pirate.  ABSTRACT: This master thesis addresses some of the problems encountered during the first design stages of engineered object related to fluid mechanics. More precisely, we will focus on the problems that can be encountered in the early modeling and simulations of hydroelectric turbines. During the first steps of design, a mathematical model of the engineered item is realized in order to evaluate its properties in simulations, and without building a prototype. The methodology used to build those models is generally based on the boundary representation (BREP) rules : Volumes are defined through the faces that delimit them; faces are defined through a geometric support (a surface) and through the edges that delimit them and so on. BREP models generally use parametric curves and surfaces (and Non Uniform Rational B-Spline (NURBS) in most cases). This type of models allows a great complexity in geometries while keeping reasonably simple mathematical entities, and thus reasonably low computing time in simulations or graphic rendering. But the simplification of models implied by BREP results in approximations, which lead to small gaps or overlaps near the border of the entities (e.g. between two faces of a shell). In order to solve those small errors, the Pirate library and its software suite use topology to identify which entities are connected. But this isn't sufficient, if two surfaces are declared connected, but are separated by a non negligible gap, errors can appear later in the design process, often with bad quality meshes and simulation results. The beginning of this master thesis will treat the methods used to find and highlight the errors in BREP models and meshes, and particularly how they have been implemented in TopoVisu. The second main aspect of this work is to treat the errors at their source. Most of the errors in BREP models and meshes are generated when data is transferred, either to another CAD application, or to a more recent version of the same software. The solution proposed in TopoVisu is to natively export data to a highly maintained, widespread file format, which has a good chance to stay viable in the future. The format we chose is the Portable Document Format (PDF) with 3D models included in Product Representation Compact (PRC) format. This choice is based upon the ISO-10303 standard (Standard for the Exchange of Product model data, STEP) compatibility of the PDF 3D format, this standard being at the heart of most CAD engines, including the Pirate library.


identifier: Brazeau, M. (2013). Affectation des infirmières aux salles de l'unité d'endoscopie digestive du Centre hospitalier universitaire de Sherbrooke  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La confection des horaires du personnel infirmier en milieu hospitalier est une tâche complexe qui est encore bien souvent réalisée à la main. Au sein de l'unité d'endoscopie digestive du Centre hospitalier universitaire de Sherbrooke, l'assistante infirmière-chef (AIC) doit affecter les infirmières aux différentes salles pour réaliser un horaire mensuel, ce qui nécessite beaucoup de temps et n'assure pas nécessairement le meilleur horaire possible. Pour résoudre ce problème d'affectation des infirmières, un modèle mathématique en nombres entiers est développé. Chaque mois, les données nécessaires au modèle sont recueillies, comme la disponibilité des infirmières et l'affectation des médecins aux salles. Une nouvelle instance du problème est ainsi créée et résolue à l'aide d'un solveur gratuit, le COIN Branch and Cut (CBC). Le modèle utilise des variables de décision booléennes à trois indices qui permettent de décider si l'infirmière est affectée à une salle à chaque période de temps. Il tient compte de toutes les contraintes qui doivent être considérées par l'AIC. Certaines de ces contraintes sont dures parce qu'il est impératif qu'elles soient respectées, comme l'affectation d'une infirmière à une salle où il y a un médecin. D'autres contraintes souples représentent des situations à favoriser ou à éviter. Selon leur importance relative, chacune de ces situations est pondérée dans la fonction objectif. Le modèle a été testé a posteriori sur quatre instances du problème afin de générer des horaires optimaux et de les comparer à ceux créés à la main. L'objectif de ce projet étant que le programme développé soit utilisé par l'AIC, la confection manuelle d'horaires est remplacée par une méthode plus rapide, facile d'utilisation et exacte selon les critères qu'elle a définis.  ABSTRACT: Nurse scheduling is a complex task that is still often done by hand. In the endoscopy unit at the Centre hospitalier universitaire de Sherbrooke, the assistant head nurse (AHN) must assign each nurse to a specific room in order to make a monthly schedule. This task is time consuming and does not ensure the best possible schedule. To solve this assignment problem, a mixed integer programming model was developed. Each month, the data required for the model are collected, such as nurses' availability and doctors' room assignment. A new instance of the problem is therefore created and solved with a free solver, the COIN Branch and Cut (CBC). The model involves boolean decision variables with three indices in order to decide if a nurse is assigned to a room at each period of time. It also takes into account all the constraints that have to be considered by the AHN. Some of these constraints are hard, such as the assignment of a nurse to a room where a doctor is working, and they must be respected. Other soft constraints are used to encourage or avoid some situations. According to their relative importance, each of these situations is weighted in the objective function. The model was tested a posteriori on four instances of the problem in order to generate optimal schedules that can be compared to the schedules done by hand. The purpose of this project is to develop a program that will be used by the AHN to replace the manual method. The program will provide a faster and user friendly method that will give an optimal schedule in terms of the criteria defined by the AHN.


identifier: Faucher, C. (2013). Simulations stochastiques par rapiéçage de motifs avec contrôle des statistiques  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse, nous présentons deux méthodes de simulation stochastique qui procèdent de manière similaire à la construction d'un casse-tête en assemblant des morceaux carrés d'image, d'où le nom de simulations stochastiques par rapiéçage de motifs. Les morceaux sont prélevés dans une image de référence qui fournit les informations sur les propriétés statistiques du champ aléatoire à reproduire. Nos méthodes de simulation mettent l'accent sur la continuité des motifs lors du rapiéçage. De plus, nos méthodes de simulation permettent de respecter la présence de données conditionnantes (hard data). Pour ce conditionnement, nous limitons le choix des morceaux d'image à ceux qui respectent les données conditionnantes. Afin d'éviter le problème de dérive des statistiques, nous présentons une méthode de contrôle reposant sur le contrôle de l'histogramme de la moyenne locale. Pour contrôler cet histogramme, nous classons  dans une partition les morceaux de l'image de référence en fonction de la valeur moyenne de leurs pixels. En plus de pouvoir reproduire l'histogramme de la moyenne locale de l'image de référence, les simulations peuvent  reproduire un histogramme quelconque défini par l'usager. La première méthode de simulation, appelée patchwork simulation method (PSM), procède de gauche à droite et de haut en bas en collant des morceaux d'image de l'image de référence. Cette méthode de simulation est apparentée à un champ de Markov où le contrôle de la moyenne locale s'effectue en choisissant  adéquatement les probabilités de transition. La deuxième méthode de simulation, appelée corrective pattern-matching simulation (CPMS), procède en effectuant des corrections de manière itérative. Cette méthode est apparentée à un algorithme glouton, car à chaque étape elle apporte une correction à un emplacement présentant une grande erreur dans l'objectif de tendre vers un optimum global. Pour différents types d'images de synthèse et pour une image d'un mélange  de polymère, nous montrons que nos simulations respectent les données conditionnantes, reproduisent l'aspect visuel des images de référence et permettent d'obtenir des histogrammes de la moyenne locale qui sont statistiquement conforme à  l'histogramme visé.  ABSTRACT: In this thesis, we present two stochastic simulation methods which build two-dimensional images by assembling together square image pieces like a jigsaw puzzle. The image pieces are taken from a reference image that provides the statistical information on the simulated field. Our methods emphasize pattern continuity in the simulated image. This is achieved by suitably selecting the image pieces to fit to the existing data. Our simulations are also constrained to respect conditional data called \emph{hard data}. This conditioning  is achieved by limiting the image pieces drawn from the reference image to the pieces that honor the hard data. To avoid statistical drift in our simulation methods, we introduce different ways to control the local-mean histogram. The local-mean is the average value of the pixels in a square image piece. The statistical control is achieved by partitioning all the possible image pieces of the reference image according to their local-mean. The simulations can then reproduce the local-mean histogram of the reference image. Furthermore, the simulations can also reproduce a user-defined local-mean histogram and thus produce original random fields. The first simulation method, called patchwork simulation method (PSM), proceeds unilaterally by sticking image pieces from left to right and from top to bottom. In the PSM, the local-mean histogram control is achieved by  suitably adjusting the transition probabilities that associate the added data to an existing neighborhood in the partly simulated image. The second simulation method, called corrective pattern-matching simulation (CPMS), proceeds iteratively by making local corrections to the simulated image. The CPMS proceeds as a greedy algorithm in the sense that, at each step, the simulation corrects a location that presents a large error in the hope to tend towards a global optimum.For several types of synthetic images and one polymer blend image, we show that our simulations respect the conditioning data, reproduce faithfully the visual appearance of the reference images and are statistically compatible with the target local-mean histograms.


identifier: Le Lan, J. (2013). Prototype d'imagerie cérébrale multicanal portable par spectroscopie proche-infrarouge et électroencéphalographie  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire de maîtrise présente l'implémentation et la validation d'une instrumentation d'acquisition de biosignaux issus des technologies d'imagerie cérébrale que sont l'électroencéphalographie (EEG) et la spectroscopie proche-infrarouge (SPIR ou NIRS : Near-infrared spectroscopy). La première des techniques mesure directement l'activité électrique au niveau du scalp, tandis que la seconde est sensible aux variations d'oxygénation du sang, variations qui peuvent être reliées à l'activité cérébrale. Contrairement aux autres techniques d'imagerie cérébrale, celles-ci peuvent être portables, peu coûteuses, à haute résolution temporelle, et permettent d'imager tout le cortex en temps réel. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration interdisciplinaire du groupe IMAGINC, dont une des missions est de développer un système d'acquisition temps réel de signaux SPIR et EEG, non invasif, portable, communiquant avec un ordinateur par un lien sans fil, avec 32 canaux d'EEG, 32 sources et 32 détecteurs de lumière afin d'imager tout le cortex, les appareils existants ne rassemblant pas tous ces critères. Le prototype construit répond pleinement à ces attentes : comportant un casque pour maintenir sur le scalp l'ensemble des électrodes et optodes, le système peut être porté à la ceinture et transmettre à une interface usager l'ensemble des données issues des 128 canaux SPIR et 32 canaux EEG, ainsi que des modules supplémentaires comme un accéléromètre ou des circuits d'acquisition de canaux auxiliaires, utiles dans un contexte clinique. L'instrument a étée valid sur une quarantaine de sujets à ce jour, lors de tests cognitifs qui ont permis d'observer l'activité neuronale induite sur les donnéees acquises, à travers le calcul des modifications hémodynamiques, semblables à celles décrites par la littérature. Des études de comparaisons statistiques à un appareil commercial et de calcul de reproductibilité du signal sont prévues pour confirmer les validations qualitatives. L'appareil permettra par la suite d'effectuer la surveillance de patients épileptiques sur de longues durées, en améliorant leur confort, pour des études préopératoires, ou celle de patients lors d'opérations à coeur ouvert, dont l'oxygénation cérébrale doit être contrôlée, les appareils existants étant difficilement intégrables en salle d'opération.  ABSTRACT: This master thesis describes the implementation and validation of a novel instrumentation able to acquire biosignals from two brain imaging technologies: electroencephalography (EEG) and near-infrared spectroscopy (NIRS). The rst one directly measures electrical variations on scalp, while the other one can detect the blood oxygenation variations, which can be correlated with cerebral activities. Contrary to others brain imaging modalities, the both described here have potential to be portable, relatively inexpensive, with high temporal resolution and allow to image the whole cortex in real time. This work is part of a multidisciplinary team collaboration within the IMAGINC research group, one of the goals being the development of a real-time, noninvasive and portable NIRSEEG signal acquisition system, able to communicate wirelessly with a computer, gathering data from 32 EEG channels, 32 light sources and 32 light detectors, to image the whole cortex. Existing commercial or research devices do not gather all of these features. The built prototype fully meets the expected characteristics: composed of a helmet able to maintain every optodes and electrodes on scalp, the wireless system can be attached to the belt and transmit to an user interface the data provided by 128 NIRS and 32 EEG channels, as well as additional modules like an accelerometer or auxiliary channel acquisition circuits, useful in a clinical context. The instrument has been validated on around forty subjects, during cognitive tests, the results of which showed expected induced brain activities on acquired data, through the calculation of haemodynamic variations, similar to those described in literature. We are also conducting studies to statistically compare the prototype and evaluate the reproductibility of biosignals, to conrm the qualitative validation developed here. In the future, the device should allow to monitor epileptic patients on long periods of time, while improving comfort, for preoperative studies, or patients undergoing open heart surgery, procedure in which the cerebral oxygenation needs to be controlled, but no existing commercial devices currently is operating-room friendly.


identifier: Brun-Murol, P. (2013). Vers une méthodologie normalisée d'évaluation des solutions RFID en application de sécurité  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La technologie d'identification radio-fréquence (RFID) est de plus en plus utilisée dans des applications de sécurité comme le contrôle d'accès et les moyens de paiement. Cependant, elle présente des risques en terme de protection de la vie privée et d'usurpation d'identité. Le but de cette recherche est de mettre en avant ces risques et d'élaborer une ébauche de méthodologie normalisée pour les évaluer. Dans un premier temps, nous avons reproduit les récents résultats d'autres équipes de recherche sur la solution de contrôle d'accès iClass de la société HID. Pour cela, nous avons notamment implémenté la norme RFID ISO/IEC 15693 sur la carte Proxmark3. Nous avons pu confirmé que la mémoire de certains lecteurs iClass peut être récupérée et qu'elle contient des clés permettant de cloner toutes les cartes du niveau Standard Security. Nous avons aussi été en mesure d'implémenter les algorithmes cryptographiques de ce niveau de sécurité sur la Proxmark3, révélés dans un précédent article. Nous pouvons donc parfaitement simuler un lecteur ou une étiquette iClass du niveau Standard Security, ou encore espionner une communication. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les limitations physiques des communications RFID. Dans ce cadre, nous avons réalisé la partie émission d'un système permettant d'augmenter la distance de communication entre la carte Proxmark3 et une étiquette. Notre expérience démontre que notre système permet d'activer une étiquette RFID à au moins 81 cm et qu'à cette distance, celle-ci est capable de comprendre les messages envoyés par la Proxmark3 et d'y répondre. Nous avons aussi testé quelques protections de type blindage électromagnétique qui visent à bloquer les communications RFID. Notre expérience montre qu'elles sont efficaces lorsque la carte RFID est complètement insérée dans la protection mais qu'une communication peut être effectuée si la carte ne dépasse que de 12 mm. Enfin, nous avons élaboré une méthodologie en quatre étapes pour évaluer les risques d'une solution RFID complètement inconnue. Cette méthodologie peut aussi servir de cahier des charges partiel pour la fabrication d'une nouvelle solution.  ABSTRACT: Radio-frequency identification (RFID) technology is widely used for security applications like access control or payment. However, this kind of application poses risks concerning privacy and identity theft. The aim of this study is to highlight these risks and to create a standard methodology to evaluate them. At first, we reproduced the results of other research teams concerning the HID iClass access control system. In this process, we implemented the RFID standard ISO/IEC 15693 on the Proxmark3 card. We managed to confirm that one can retrieve the memory of some iClass readers and that it contains keys which permit to clone all iClass cards in the Standard Security level. We also successfully programed on the Proxmark3 all the cryptographic algorithms of this security level, which were revealed in a previous article. Therefore, we can perfectly simulate an iClass reader or an iClass card from the Standard Security level. We can as well spy on iClass RFID communications. Secondly, we focused on the RFID communication physical limitations. We made the emission part of a system aiming to increase the communication range between the Proxmark3 card and a tag. Our experience shows that our system can power a RFID tag at least at 81 cm and that the tag can understand and answer to the Proxmark3 messages at this range. We also tested some protections using electromagnetic shielding. We showed that there are efficient as long as the card is completely inserted in the protection. However, we managed to establish a communication with a card exceeding the protection by 12 mm. Finally, we wrote a methodology in four steps to evaluate the risks of an unknown RFID system. This methodology can also be seen as a list of requirements for designing a new RFID solution.


identifier: de Lanauze, D. (2013). Contrôle tridimensionnel de bactéries magnétotactiques agissant comme microrobots pour le transport actif de médicament vers une tumeur  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En 2012, le cancer se classait comme première cause de mortalité au Canada. Parmi les traitements disponibles pour contrer cette maladie, la chimiothérapie demeure un des traitements les plus utilisés. Malgré les progrès au niveau du développement de nouveaux agents thérapeutiques utilisés en chimiothérapie, leur manque de spécificité envers les cellules cancéreuses entraîne d'importants effets secondaires chez les patients. En effet, le fonctionnement de cette thérapie, administrée de façon systémique, repose sur la diffusion passive du médicament à travers l'organisme du patient dans l'espoir qu'une portion de la dose administrée entre en contact et affecte les cellules cancéreuses. Malheureusement, en utilisant un tel système de livraison d'agents thérapeutiques, la dose thérapeutique administrée au patient dépasse largement celle que le site tumoral nécessite et l'excédent affecte négativement les régions saines. Le laboratoire de NanoRobotique de l'École Polytechnique de Montréal mise actuellement sur une nouvelle plateforme de livraison de médicaments qui permettra de complémenter les traitements de chimiothérapie. Cette plateforme cherche à exploiter les progrès technologiques en microrobotique afin de d'utiliser un microrobot autopropulsé et dirigeable à distance pouvant être guidé activement vers un site tumoral. La charge thérapeutique requise serait établie, ajoutée au biotransporteur et dirigée directement dans la tumeur. Ce faisant, les effets secondaires indésirables que les traitements de chimiothérapie causent actuellement aux régions saines du corps seraient réduits au grand bénéfice du patient. Le microbiotransporteur retenu consiste en des bactéries magnétotactiques MC-1 ne mesurant que 2 μm de diamètre. Celles-ci peuvent être contrôlées à distance par l'intermédiaire de champs magnétiques. En effet, ces bactéries ont la capacité de s'orienter en fonction du champ magnétique grâce à la présence d'une chaîne de nanoparticules magnétiques contenues dans leur cellule. L'objectif de ce projet de recherche était de développer une plateforme de contrôle beaucoup plus avancée pour regrouper les bactéries magnétotactiques en agrégats et de les diriger à distance et de façon tridimensionnelle à l'aide de techniques informatiques nouvellement crées et de valider nos résultats par des essais sur des animaux, anticipant la possibilité d'éventuellement l'appliquer à l'être humain.  ABSTRACT: In 2012, cancer was ranked as the leading cause of death in Canada. Among the treatments available for this disease, chemotherapy remains one of the most used treatments. Despite progress in the development of new therapeutic agents used in chemotherapy, their lack of specificity to reach cancer cells results in significant side effects in patients. Indeed, the application of this systemically administered therapy is based on the passive diffusion of the drug throughout the patient's body in the hope that a sufficient quantity will reach the cancer cells. Unfortunately, this method of delivering therapeutic agents requires doses that far exceed the dose required for the tumor and the excess negatively affects healthy regions. The NanoRobotics laboratory of École Polytechnique de Montreal is currently developing a new drug delivery platform that could complement chemotherapy treatment. The platform seeks to exploit technological advances in microrobotics to make use of a self-propelled microrobot that can be remotely guided to a tumor site. The proper amount of medication would be determined, loaded onto the microrobot and channeled directly to the tumor. In doing so, the adverse side-effects that chemotherapy treatment to non-selected areas of the body now causes would be reduced to benefit of the patient's well-being. The microbiotransporter is made up of MC-1 magnetotactic bacteria measuring only 2 μm in diameter. They can be remotely controlled via magnetic fields. Indeed, these bacteria have the ability to be guided by the magnetic field due to the presence of a chain of magnetic nanoparticles contained in the cell. The objective of this research project was to develop a more advanced control platform to aggregate magnetotactic bacteria and remotely direct them in a three-dimensional manner using newly created computer software and to validate our results by experiments on animals, anticipating the opportunity of applying this technology on humans. An analysis was first conducted on the behavior of magnetotactic bacteria when exposed to high intensity magnetic fields in order to assess their control limitations. A description of the newly designed experimental platform is presented. Also described is the simulation software that was conceived to predict the behavior of these organisms when exposed to the platform's magnetic fields.


identifier: Moussaddy, H. (2013). A New Definition of the Representative Volument Element in Numerical Homogenization Problems and its Application to the Performance Evaluation of Analytical Homogenization Models.  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le Volume Élémentaire Représentatif (VÉR) joue un rôle important dans la mécanique des matériaux composites dans le but de déterminer leurs propriétés effectives. L'homogénéisation numérique permet de calculer avec précision les propriétés effectives des composites étant donné que le VÉR soit utilisé. Dans le cadre d'homogénéisation numérique, le VÉR réfère à un ensemble de volumes élémentaires du matériau qui produisent, en moyenne, les propriétés effective du composite. Plusieurs définitions quantitatives du VÉR, détaillant les méthodes de sa détermination, sont trouvées dans la littérature. Dans cette étude, les différentes définitions du VÉR sont évaluées vis à vis leurs estimations des propriétés effectives du composite. L'étude est realisée sur une microstructure élastique bi-phasée, les composites renforcés par des fibres aléatoirement dispersées. Des simulations par la méthode des éléments finis à grand nombre de degrés de liberté sur des volume de taille différentes sont parallélisées sur des serveurs de calculs. Les volumes élémentaires du matériau sont générées virtuellement et assujetties à des conditions aux rives périodiques. Il est démontré que les définitions populaires du VÉR, basées sur la convergence des propriétés moyennes, produisent des propriétés erronées. Une nouvelle définition du VÉR est introduite basée sur les variations statistiques des propriétés issues des volumes élémentaires. Cette définition est démontrée apte à estimer avec grande précision les propriétés effectives des composites à fibres aléatoires. De plus, la nouvelle définition permet de calculer les propriétés effectives à un VÉR plus petit que celui nécessaire selon les autres définitions, mais aussi de réduire considérablement le nombre de simulations nécessaires pour déterminer le VÉR. Les propriétés effectives calculés par homogénéisation numériques sont comparées à celles des modèles d'homogénéisation analytiques. Les comparaisons sont réalisées sur une large gamme de rapports de forme des fibres (allant jusqu'à 120), de contraste des propriétés (allant jusqu'à 300) pour des fractions volumiques à moins de 20%. Le modèle de Mori-Tanaka, ainsi que les méthodes d'homogénéisation par deux étapes de Mori-Tanaka/Voigt et Lielens/Voigt produisent des estimations précises des propriétés effectives des composites à fibres aléatoirement dispersées et ce jusqu'au rapport de forme de 100. Ceci permet d'utiliser ces modèles analytiques dans un calcul rapide et de grande précision des propriétés effectives de ce type de composites. Pour des fibres de rapports de forme dépassant 100, une saturation de la rigidité effective est observée dans les résultats numériques et aucun des modèles analytiques ne produit des estimations précises des propriétés effectives pour cette gamme de microstructures.  ABSTRACT: The Representative Volume Element (RVE) plays a central role in the mechanics of composite materials with respect to predicting their effective properties. Numerical homogenization delivers accurate estimations of composite effective properties when associated with a RVE. In computational homogenization, the RVE refers to an ensemble of random material volumes that yield, by an averaging procedure, the effective properties of the bulk material, within a tolerance. A large diversity of RVE quantitative definitions, providing computational methods to estimate the RVE size, are found in literature. In this study, the ability of the different RVE definitions to yield accurate effective properties is investigated. The assessment is conducted on a specific random microstructure, namely an elastic two-phase three dimensional composite reinforced by randomly oriented fibers. Large scale finite element simulations of material volumes of different sizes are performed on high performance computational servers using parallel computing. The materials volumes are virtually generated and subjected to periodic boundary conditions. It is shown that most popular RVE definitions, based on convergence of the properties when increasing the material volume, yields inaccurate effective properties. A new RVE definition is introduced based on the statistical variations of the properties computed from material volumes. It is shown to produce more accurate estimations of the effective properties. In addition, the new definition produced RVE that are smaller in size than that of other RVE definitions ; also the number of necessary finite element simulations to determine the RVE is substantially reduced. The computed effective properties are compared to that of analytical models. The comparisons are performed for a wide range of fibers aspect ratios (up to 120), properties contrast (up to 300) and volume fractions only up to 20% due to computational limits. The Mori-Tanaka model and the two-step analytical methods of Mori-Tanaka/Voigt and Lielens/Voigt are best suited for estimating the effective elastic properties of composites reinforced by randomly oriented fibers of aspect ratio up to 100. This finding allows the future utilization of those analytical models for very quick and accurate effective properties calculations for this class of composites. For aspect ratios larger than 100, a stiffening saturation occurs and no analytical model delivers accurate estimations of the effective properties. The present work can be regarded as an awareness flag regarding the validity of currently utilized RVE determination techniques. Moreover, this study provides a first step towards optimization of the RVE determination methods for computing accurate effective properties. The aim is to explore new RVE definitions that yield smaller volumes and have lower determination costs, while yielding accurate effective properties.


identifier: Roberge, J.-P. (2013). Conception et intégration d'un capteur LIDAR 3D pour la navigation autonome des robots mobiles en terrain inconnu  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'étude de la planète Mars suscite un intérêt grandissant au sein de la communauté scientifique. Étant donné la distance séparant la Terre de cet astre, ainsi que l'environnement particulièrement hostile y régnant, son exploration tire avantage de l'utilisation de robots mobiles (rovers). Les fenêtres de communication peu nombreuses de même que les délais importants justifient le déploiement d'intelligence artificielle sur ces plates-formes mobiles afin de maximiser leur autonomie. L'un des enjeux primordiaux est alors la capacité que possèdent de tels robots de naviguer de façon autonome et donc de percevoir l'environnement au moyen de systèmes de vision avancés.Le projet de recherche dont il est question dans ce mémoire s'articule autour de ce thème et est réalisé en collaboration avec l'Agence spatiale canadienne (ASC). L'objectif principal vise la conception d'un système de vision tridimensionnelle permettant à un robot mobile de naviguer de façon autonome. Il concerne plus particulièrement la conception, l'intégration et l'étude de CORIAS (COntinuous Range and Intensity Acquisition System), un système de vision utilisant la technologie lidar (LIght Detection And Ranging). Le système en question utilise comme capteur principal un lidar LMS111 de la compagnie SICK. L'appareil développé au cours de cette recherche répond non seulement à l'objectif principal, mais il est également doté des caractéristiques suivantes : • La reproduction tridimensionnelle de l'environnement s'effectue dans un rayon maximum de 20 mètres. • L'acquisition des données se fait à raison d'un débit maximal de 27 050 points par seconde. • Le temps requis pour balayer complètement l'environnement avec des paramètres d'opération typiques (une résolution de 0,25° en élévation et de 0,50° en azimut) est d'environ 29 secondes. • Le système peut transmettre les mesures d'intensité associées aux points acquis.• Les résolutions verticale (élévation) et horizontale (azimut) sont configurables et assez fines pour détecter des obstacles.• Le système présente un niveau raisonnable de protection face aux conditions environnementales hostiles (poussière, pluie, neige, etc).  ABSTRACT: The study of Mars is of growing interest among the scientific community. Given the large distance between this planet and the Earth, as well as the hostile environment prevailing there, its exploration takes advantage of using rovers. The rare communication windows, along with the important delays occuring during communications, justify artificial intelligence deployment on these mobile platforms in order to maximize their autonomy. Hence, one of the crucial issues is the ability the rover has to autonomously navigate and thus, to properly detect its environment with the help of advanced vision systems. The research project discussed in this thesis focuses on this theme and is done in collaboration with the Canadian Space Agency (CSA). The main objective is to design a three-dimensional vision system enabling a mobile robot to navigate autonomously. It relates more particularly to the design, integration and study of CORIAS (COntinuous Range and Intensity Acquisition System), a vision system using lidar (LIght Detection And Ranging). The system uses a LMS111, manufactured by SICK, as its main sensor. The device developed in this research project not only meets the main objective, but it also has the following characteristics:• The three-dimensional reproduction of the environment is performed within a 20 meter radius.• The maximum data acquisition rate is 27 050 points per second.• The time required to complete a full-coverage scan performed with typical operation parameters (0,25° elevation and 0,50° azimuth resolutions) is around 29 seconds.• The system is able to transmit the intensity measurements associated with the acquired points.• Vertical (elevation) and horizontal (azimuth) resolutions are configurable and fine enough to detect obstacles.• The system has a reasonable level of protection against bad weather conditions (dust, rain, snow, etc.).CORIAS only requires a 24 volts DC power supply and an Ethernet link to be operated. It can be installed easily on a large variety of platforms. The rover's on-board computer is responsible for communicating with the vision system and provides the commands it needs to accomplish. The microcontroller, which is the central part of the system, operates on Linux and acts as a TCP-IP server.


identifier: Cammarata, S. (2013). Techniques d'imagerie fonctionnelle du système respiratoire par tomographie d'impédance électrique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les maladies liées au système respiratoire ont un impact socio-économique très important. Par exemple, en 2008, le taux de mortalité mondiale causée par les tumeurs malignes, les infections et les maladies de l'appareil respiratoire a été de 15 %. Ces dernières comprennent des maladies caractérisées par des rapports ventilation/perfusion faibles, comme l'asthme, l'oedème pulmonaire, le syndrome de détresse respiratoire aiguë et la bronchite chronique et également des maladies caractérisées par des rapports ventilation/perfusion élevées comme l'emphysème, l'embolie pulmonaire et la broncho-pneumopathie chronique obstructive. En raison du large spectre d'anomalies respiratoires, le développement de nouvelles méthodes et d'instruments pour le monitorage du système respiratoire et le diagnostic des maladies qui lui sont associées demeure très pertinent. Un exemple de ces nouveaux instruments est le système de tomographie d'impédance électrique (TIE), développé à l'Institut de Génie Biomédical (IGB) de l'École Polytechnique de Montréal. La TIE est une technique qui permet d'obtenir l'image de la distribution spatio-temporelle des propriétés électriques des tissus biologiques impliqués dans l'activité cardio respiratoire. L'acquisition de données de TIE s'effectue au moyen d'électrodes que l'on fixe sur le pourtour du thorax. Ces électrodes servent à appliquer un courant sinusoïdal de faible amplitude et à mesurer les différences de potentiel qui résultent du passage du courant dans les tissus du thorax. Un algorithme de reconstruction permet de traiter ces données pour produire des images de la distribution de conductivité électrique. La TIE est donc une technique non invasive que l'on peut utiliser pour le monitorage de longue durée de patients. Les systèmes de TIE sont sécuritaires, compacts, et peu coûteux à l'achat et en frais d'opération. En contraste, d'autres techniques d'imagerie médicale, comme la scintigraphie et la tomodensitographie, requièrent des appareils coûteux et encombrants qui comportent l'administration de substances radioactives ou encore l'exposition aux rayons X. L'interprétation des images de TIE est toutefois difficile en raison de leur faible résolution spatiale et de la superposition de différents phénomènes physiologiques. L'objectif du projet exposé dans ce mémoire est de repousser ces limites en mettant en oeuvre des techniques d'imagerie fonctionnelle qui permettent d'extraire des informations d'intérêt clinique.  ABSTRACT: Respiratory diseases have a significant socio-economic impact. For example, in 2008, the global mortality rate caused by malignant neoplasms, infections, and respiratory pathologies was 15%. These include pathologies characterized by a low ventilation/perfusion ratio, such as asthma, pulmonary edema, acute respiratory distress syndrome, and chronic bronchitis; and those characterized by a high ventilation/perfusion ratio such as emphysema, pulmonary embolism and chronic obstructive pulmonary disease. Because of the wide spectrum of respiratory pathologies, the development of new methods and instruments for monitoring the respiratory system and assist clinicians in the diagnosis and treatment of these diseases remains highly relevant. An example of these new instruments is the electrical impedance tomography (EIT) system developed by the Institut de Génie Biomédical (IGB) of École Polytechnique de Montréal. EIT is a technique that allows imaging the spatio-temporal changes in electrical properties of biological tissues involved in cardiac and respiratory activity. Acquisition of EIT data is done by means of electrodes positioned on the periphery of the thorax. These electrodes are used to apply a small sinusoidal current and to measure potential differences arising from the flow of the applied current through the thoracic tissues. A reconstruction algorithm processes the data to produce images of the electrical conductivity distribution. EIT is therefore a non-invasive technique that can be used for long term patient monitoring. EIT systems are safe, compact and involve low initial investment and operating costs. By contrast, other medical imaging techniques such as scintigraphy and tomodensitography require systems that are very expensive, bulky and involve the administration of radioactive compounds or exposure to X-rays. The interpretation of EIT images is however difficult, due to the low spatial resolution and the superposition of effects from different physiological processes. The objective of the project described in this dissertation is to overcome these limitations by implementing functional imaging techniques that allow extracting clinically significant information. Our work is based on functional imaging techniques described in the scientific literature that have been validated by off-line data processing. We believe that these techniques will achieve a significant impact only if they can be executed in real time, so that the information they provide