Cette thèse aborde le problème de la détection de changements sur des images de scènes urbaines en télédétection. Les expériences ont été menées sur des couples d'images satellitaires panchromatiques haute résolution (<1m). A travers ce thème général, plusieurs problématiques, correspondant aux divers niveaux d'une chaîne de traitement, sont abordés, depuis la création d'un masque de changements jusqu'au raisonnement à un niveau objet. Dans ce manuscrit, nous abordons premièrement le problème de la détermination d'un masque de changements. Après avoir étudié les limites d'un algorithme de détection de changements, fondé sur l'analyse en composantes principales, nous proposons un algorithme tirant parti de l'invariance des lignes de niveau, fondé sur un modèle d'illumination et des hypothèses sur la régularité de la scène. Par la suite, nous abordons la classification des zones détectées comme changées au cours de l'étape précédente. D'abord, nous nous fondons uniquement sur les radiométries des couples de pixels. Enfin, nous étudions l'intérêt d'une composante géométrique dans la classification. Plus précisément, nous appliquons un algorithme d'approximation polygonale sur les zones connexes issues de la classification précédente, puis nous classifions les formes obtenues compte tenu des orientations des côtés des polygones obtenus.

Les surfaces de contrôle de la voilure (ailerons et spoilers) permettent d'assurer la manœuvrabilité et le contrôle d'un avion dans tout son domaine de vol. Cette thèse s'inscrit dans une démarche d'amélioration de la modélisation aérodynamique de ces surfaces, afin de permettre une optimisation plus fine de la configuration avion. Plus précisément, l'objectif est l'élaboration d'une méthodologie reposant sur différents outils (CFD RANS et CFD rapide principalement) permettant d'améliorer, en terme de précision et de coût, l'estimation des efficacités des ailerons et des spoilers, dans toute l'enveloppe de vol et à chaque étape du développement. L'apport des progrès réalisés par l'utilisation de cette nouvelle méthodologie a ainsi été évalué dans une optique de production de Données Aérodynamiques, essentielles dans le processus de dimensionnement pluridisciplinaire de l'avion.

L'optimisation multi-disciplinaire propose des solutions aux problèmes de conception de systèmes complexes. Le terme « optimisation multi-disciplinaire » laisse sous-entendre à tort qu'il ne s'agit que d'un problème d'optimisation. Nous lui préférons ici le terme de « conception collaborative ». En effet, l'optimisation ne représente qu'un aspect, qui ne peut être séparée du reste du problème de conception. Le but n'est pas de créer un processus automatique, mais de faciliter les échanges entre les équipes des différentes disciplines. De nombreuses méthodes, appelées communément formulations MDO (de Multi-Disciplinary Optimization), apparaissent dans la littérature (MDF, IDF, AAO, BLISS, CO). Elles proposent des stratégies permettant, d'une part, d'assurer la cohérence de la description du système complexe et, d'autre part, d'effectuer la recherche de la configuration optimale. Dans un premier temps, nous dressons un état de l'art des formulations MDO. Nous mettons en avant leurs points communs et leurs différences, afin de proposer une implémentation de la manière la plus générale qui soit. Nous proposons, avec la méthode DIVE (Discipline Interaction Variable Elimination), un cadre d'utilisation de méta-modèles au sein des formulations MDO. Le méta-modèle peut se limiter à une approximation linéaire ou quadratique. Il peut s'appuyer sur des méthodes classiques d'apprentissage, telles que les réseaux neuronaux, le Krigeage ou la SVM. Chaque méta-modèle est accompagné d'une région de confiance qui en détermine la validité. Cette approche par approximations locales et successives permet d'aborder les problèmes de grande dimension. Nous présentons des résultats obtenus avec deux cas-tests d'avions d'affaires supersoniques obtenus sous deux environnements différents (Scilab et ModelCenter).

L'oreille interne est un organe fascinant du corps humain. Elle contient des organes sensoriels très précis et hypersensibles, ce qui lui permet de jouer un rôle majeur dans la perception de nos mouvements et de notre orientation spatiale. Dans un premier temps, ce travail de thèse a porté sur la modélisation du fonctionnement des senseurs d'orientation de l'oreille interne. Un démonstrateur type « Réalité Virtuelle » a été développé sous Matlab/Simulink afin de visualiser en temps réel l'état de chaque senseur. Une modélisation plus détaillée par éléments finis et tenant compte d'interactions fluide/structure a permis d'étudier la dynamique des fluides au sein de chaque capteur ainsi que le déplacement de membranes - éléments clés permettant de coupler le déplacement du fluide avec la stimulation de cellules sensorielles. Dans un second temps, ce travail de thèse s'est orienté vers le développement de modèles non-linéaires et tridimensionnels de perception de l'orientation spatiale. Ces modèles supposent que notre cerveau estime/calcul nos perceptions d'orientation, de vitesse, et d'accélération de façon « optimale ». Par conséquent, les modèles développés se sont appuyés sur deux techniques d'estimation non-linéaires basées sur le filtre de Kalman (« Extended Kalman filter » & « Unscented Kalman filter »). En réponse à différent profils de stimulation, ces modèles permettent de prédire diverses illusions sensorielles connues dans le monde de l'aéronautique. En tant qu'applications potentielles, ces modèles pourraient être utilisés d'une part lors d'investigation de crash d'appareil afin de détecter si le pilote a été sujet à un phénomène de désorientation spatiale, et d'autre part pour le développement d'algorithmes de contrôle des simulateurs de vols.

Alors que la simulation aux grandes échelles (L.E.S.) des écoulements monophasiques est largement répandue même dans le monde industriel, ce n'est pas le cas pour la L.E.S. d'écoulements diphasiques avec interface (c'est-à-dire d'écoulements où les deux phases liquide et gazeuse sont séparées par une interface). La difficulté majeure réside dans le développement de modèles de sous-maille adaptés au caractère diphasique de l'écoulement. Le but de ce travail est de générer une base D.N.S. dans le cadre d'écoulements diphasiques turbulents avec interface pour comprendre les interactions entre les petites échelles turbulentes et l'interface. Les différents termes sous-maille proviendront d'une analyse a priori de cette base D.N.S. Pour mener à bien ce travail, différentes techniques numériques sont testées et comparées dans le cadre de configurations turbulentes où de grandes déformations interfaciales apparaissent. Puis, l'interaction interface/turbulence est étudiée dans le cadre où les deux phases, séparées par une interface largement déformée, sont résolues par une approche D.N.S. La configuration retenue est l'interaction entre une nappe initialement plane et une T.H.I. libre. Les rapports de densités et de viscosltés sont fixés à 1 pour se concentrer sur l'effet du coefficient de tension de surface. Une étude paramétrique sur le nombre de Weber est menée. Finalement, un filtrage a priori de la base D.N.S. est réalisé et les termes sous-maille qui en découlent sont comparés les uns aux autres.

Dans le but d’améliorer les systèmes de pilotage des avions, Airbus souhaite développer sa capacité prédire les effets aéroélastiques associés au braquage de gouvernes situées sur des parties souples de l’avion. Dans ce cadre, les travaux de thèse présentés visent à développer des méthodes de calcul pour simuler ce type de phénomènes. Partant des techniques de calcul existantes, basées sur un couplage des méthodes de mécanique des fluides numérique avec un modèle de structure, deux axes de travail on été suivis. Le premier concerne la représentation des gouvernes dans les algorithmes de mécanique des fluides numériques. Pour faciliter cette représentation et surtout permettre le mouvement des gouvernes en cours de calcul il a été choisi d’utiliser la technique Chimère qui permet de combiner en cours des maillages élémentaire. Une méthode innovante pour assembler automatiquement des maillages Chimère a notamment été développée. Le second axe de travail a concerné l’adaptation des méthodes d’aéroélasticité. En effet, il est apparu au cours des travaux que ces techniques conduisaient à des temps de calcul élevés en raison de phénomènes transitoires très longs à évacuer. Pour pallier ce problème la méthode d’équilibrage temporel des harmoniques a été appliquée aux équations de l’aéroélasticité conduisant à un nouveau schéma de couplage entre les équations du fluide et de la structure. Les différentes méthodes développées sont appliquées à des configurations industrielles représentatives.

Classiquement, les interactions homme - système artificiel (IHSA) ont été étudiées par le seul intermédiaire des changements du comportement humain face à une variation du système. Si cette approche a permis de faire progresser les IHSA, surtout lorsque les observations débouchaient sur de la modélisation descriptive, un pan important de l'interaction reste néanmoins méconnu. En effet, alors que, par exemple dans l'aéronautique militaire, les contraintes physiologiques étaient prises en compte (ex : voile noir), les contraintes cognitives créées par le fonctionnement du cerveau étaient largement méconnues. Dans cette perspective, l'erreur humaine devient un "symptôme" des carences du système. Une approche originale et innovante pour traiter la problématique des interactions homme-système est d'utiliser les outils et les concepts des neurosciences intégratives et de la neuropsychologie. Les travaux de ces disciplines, basées sur l'étude du substrat des mécanismes cérébraux des fonctions cognitives, ont fait progresser les connaissances sur la compréhension des interactions de l'homme avec son environnement. Ces résultats scientifiques suscitent depuis peu l'intérêt pour les facteurs humains et ont donné très récemment naissance à un nouveau courant aux Etats-Unis : la neuroergonomie. C'est dans cette démarche de neuroergonomie que nous avons tenté de mieux comprendre la similarité de certains troubles des fonctions exécutives (FE), capacités cognitives de haut niveau, qui apparaissent chez le sujet diminué (pathologie neurologique, manque de sommeil, prise de certains médicaments etc.) et chez le pilote sain en situation dégradée. En effet, les erreurs de pilotage peuvent être, dans certains cas, attribuées à des perturbations temporaires des FE. Ces constatations plaident en faveur de l'hypothèse de mécanismes cérébraux communs suggérant l'existence d'un continuum cognitif (Pastor, 1999), des performances intellectuelles optimales à un fonctionnement très dégradé, proche de celui retrouvé dans la pathologie. Nous avons réalisé une première étude visant à comprendre l'influence du risque et de la récompense sur la prise de décision en aéronautique, en utilisant un protocole de neuroéconomie, des mesures psychophysiologiques et l'IRMf. Les résultats préliminaires de neuroimagerie indiquent que le passage de la prise de décision "à froid" vers la prise de décision "à chaud" se traduit par un basculement préfrontal dorsolateral (siège des FE) vers des activations préfrontales ventromédianes (aire connectée aux régions émotionnelles du cerveau). Ce basculement était accompagné d'une augmentation du rythme cardiaque, signe de l'effet émotionnel provoqué par la récompense. Nous avons également mené une étude afin de détecter les perturbations subtiles des FE au cours du vieillissement normal pour définir des indices prédictifs de la capacité à piloter dans l'aviation générale où aucune limite d'âge n'existe. Les résultats ont mis en évidence la grande vulnérabilité de certaines FE aux effets de l'âge et, par ailleurs, que les capacités de raisonnement, de mémoire de travail mais aussi l'expérience de vol et le niveau d'impulsivité trait étaient associés à la performance de pilotage et à l'erreur décisionnelle. Enfin, nous avons opérationnalisé nos résultats par des expérimentations réalisées en vol réel en employant des mesures oculométriques. L'étude a montré la fiabilité du système à collecter les prises d'informations visuelles des pilotes. La dilatation pupillaire semblait également pointer certains effets du stress et de la charge cognitive. Toutes ces recherches illustrent la capacité de la neuroergonomie à nourrir en retour les disciplines dont elle émerge, notamment les facteurs humains.

Un grand nombre d’activités utilise des outils informatisés s’appuyant sur des représentations graphiques interactives. En tant que vecteurs de transmission d’informations, ces visualisations visent à optimiser la bande passante entre le visuel et l’utilisateur. Pour créer des visualisations efficaces, les concepteurs utilisent des méthodes basées sur leur expertise et sur des tests utilisateurs. Ces méthodes altèrent le processus de design : elles sont chronophages et ne reposent pas sur des fondements théoriques précis qui pourraient éviter des erreurs de conception en amont. Afin de mieux étudier les visualisations, nous proposons de les caractériser, c'est-à-dire d'en énumérer et d’en définir systématiquement les propriétés, tout en explicitant les phénomènes visuels qui engendrent la transmission d'informations. La thèse que nous soutenons consiste à dire que la caractérisation des visualisations est importante pour leurs conceptions, et que son opérationnalisation par des méthodes et des outils permet de concevoir de meilleurs systèmes interactifs. Ainsi, nous avons déterminé qu'une caractérisation est composée de deux éléments : son contenu et sa mise en forme. Nous montrons que le modèle de Data Flow, modèle usuel permettant la description de la construction de visualisations, ne permet pas de les caractériser. Nous proposons d'autres modèles qui permettent de caractériser l'aspect dynamique, les informations émergentes (et notamment celles issues des visualisations dites "écologiques"), ainsi que l'accumulation graphique. En utilisant des visualisations issues du milieu du transport aérien, nous montrons comment la caractérisation permet de comprendre leurs similitudes et leurs différences, de lever les ambiguïtés de communication entre concepteurs, et de concevoir, par exemple, une nouvelle visualisation schématique de routes aériennes. Enfin, nous avons réifié le processus de transformation d'un ensemble de données vers une visualisation sous la forme d’un logiciel d’exploration et de visualisation de grandes quantités de données multidimensionnelles : From Data To Display (FromDaDy). Ce logiciel s'appuie notamment sur l'exploration des configurations visuelles, et sur un ensemble d'interactions originales avec une implémentation performante. FromDady permet de configurer et de manipuler en temps réel des visualisations riches et originales, comme celles utilisant l'accumulation.

Pour certifier un système aéronautique, des études de Sûreté de Fonctionnement (SdF) visent à démontrer qu’il répond à des exigences de sécurité de haut niveau. La complexité des systèmes étudiés ayant évolué, les exigences à démontrer devenant toujours plus nombreuses, les analyses actuelles (e.g. arbre de défaillance) peuvent aujourd’hui présenter des limites d’utilisation. Pour aller à l’encontre de ces limites, l’Ingénierie Dirigée par les Modèles s’est développée et s’intéresse aux études de SdF. L’objectif est alors de 1) modéliser dans un langage adapté (le langage AltaRica a ici été utilisé) les comportements fonctionnels et dysfonctionnels d’un système et de ses composants en présence de défaillances, 2) s’assurer que le modèle est une abstraction valide du système réel et 3) vérifier la tenue des exigences du système par le modèle. Les travaux effectués dans cette thèse se sont intéressés aux deux premiers points. Une méthodologie a été proposée pour spécifier l’abstraction du comportement de composants de systèmes multi physiques. Des bibliothèques AltaRica ont été réalisées pour modéliser des sous-systèmes d’un turbomoteur d’hélicoptère. Les résultats obtenus via le modèle ont été comparés avec ceux des analyses existantes de SdF. Pour les projets futurs où celles-ci ne seraient plus disponibles, un processus de validation a été proposé pour caractériser le degré de revue atteint lors de la simulation d'un jeu de tests sur le modèle. Inspiré du « génie logiciel », ce processus s’étend sur trois niveaux de validation (unitaire ; intégration des composants ; modèle complet) et propose des critères de couvertures applicables et mesurables sur un modèle AltaRica.

Identifier des traces de vie sur la Lune ou sur Mars requiert des forages. Les contraintes très fortes sur les systèmes spatiaux et les environnements à faible gravité nuisent aux performances des foreuses rotatives. Une solution innovante a été identifiée chez un insecte qui creuse dans le bois pour déposer ses oeufs. Des tests ont montré la faisabilité d’imiter cet insecte pour creuser sans force ou appui extérieur. Ce doctorat poursuit le développement du concept de forage bio-inspiré surtout pour forer dans le régolithe extraterrestre. Cette nouvelle technique est nommée « Dual Reciprocating Drilling » (DRD). Tout d’abord, des simulants de régolithe lunaire et martien ont été testés ainsi que leurs méthodes de préparation. DRD a été testé pour la première fois dans du régolithe. L’importance du dérapage (slippage en anglais) a été identifiée. Des mécanismes de pénétration du régolithe par le DRD ont été proposés. Une seconde expérience a permis de raffiner les mécanismes de pénétration du régolithe. L’importance des mouvements latéraux lors du forage a été identifiée. Finalement un code utilisant les éléments discrets a été implémenté sur des GPU (Graphical Processing Units) permettant la première simulation d’interaction tête de forage - régolithe avec plus d’un million de particules. Avant ces travaux, DRD était vu comme capable de développer sa propre force de progression. Dans le régolithe DRD a besoin d’une force externe pour progresser. Cependant DRD permet de réduire cette force (grâce aux mouvements latéraux). Une proposition d’architecture système reflétant cette nouvelle compréhension a été faite.