Sujets de Doctorat
 
Logiciel système pour la gestion dynamique de l’énergie dans les objets autonomes
Encadreurs : Maryline Chetto
Sujet

Equipe d’accueil : Systèmes Temps Réel Directeur de Thèse : Maryline Chetto Début de la Thèse : Septembre 2013. Contact : maryline.chetto@univ-nantes.fr ou Tel. : 0610203594

Sujet On constate que dans les objets communicants autonomes (réseaux de capteurs) les contraintes de temps sont de plus en plus souvent associées à des contraintes d’embarcabilité. Les matériels portables, les implants bio-médicaux et les capteurs intelligents utilisés dans les applications sans fil ont en effet envahi notre quotidien. Ces dispositifs, majoritairement caractérisés par des restrictions en termes de capacité énergétique, de taille mémoire et de puissance de calcul, imposent de nouvelles contraintes au niveau des RTOS. Aujourd’hui, le challenge soulevé par l’émergence de ces systèmes embarqués fonctionnant à base d’énergie renouvelable est de garantir une autonomie durable sinon perpétuelle ce qui implique de nouvelles orientations pour les RTOS en termes d’ordonnancement et de gestion de puissance.

Objectifs poursuivis L’objectif est de développer une maquette logicielle permettant d’évaluer la faisabilité de l’intégration d’algorithmes d’ordonnancement temps réel sous contraintes énergétiques, sous forme de composants logiciels sur un système d’exploitation temps réel. A partir de spécifications applicatives concernant les tâches, le profil de la source énergétique et les caractéristiques de l’unité de stockage d’énergie, l’OS devra par son guide intégré, décider de la faisabilité de l’application et construire une solution appropriée en matière d’ordonnancement et de gestion dynamique de puissance. A notre connaissance, la modélisation de contraintes énergétiques au niveau du RTOS est une approche nouvelle et originale qui reste inexplorée à l’heure actuelle.

Description du projet Le travail envisagé sera abordé en 3 étapes : • un volet A. « Définition des contraintes d’implémentation relatives à des algorithmes d’ordonnancement temps réel sous contraintes énergétiques », • un volet B. « Implémentation et tests unitaires des algorithmes sous forme de composants logiciels intégrés à un RTOS qu’il reste à déterminer », • un volet C. « Analyse comparative de performance des composants logiciels

Par rapport aux travaux précédents de doctorat, celui-ci devra donner lieu sinon à l’intégration dans une application réelle, au moins à une maquette logicielle validée expérimentalement.

Pré requis :
Année : 2013
Equipe de recherche : Systèmes Temps Réels
 
 
Vérification en ligne des systèmes embarqués industriels
Encadreurs : Faucou Sébastien, Lime Didier
Sujet

Mot-clés  : systèmes embarqués, méthodes formelles, temps réel

La vérification en ligne [1] fait partie de la famille des méthodes formelles. La vérification en ligne d’un système est réalisée par un moniteur qui observe l’exécution du système pour décider si elle respecte un certain ensemble de propriétés. Le moniteur est un programme généré automatiquement à partir des propriétés. Il peut être un simple observateur qui signale l’entrée du système dans un état erroné. Il peut également piloter le système pour éviter ces états, ou assurer le retour rapide à un état sûr. La vérification en ligne offre un complément intéressant aux autres méthodes formelles (model-checking, tests). Elle permet en particulier de traiter les fautes survenant lors des phases de déploiement et d’exploitation des systèmes.

À l’occasion de travaux menés en collaboration avec un partenaire industriel, l’équipe STR de l’IRCCyN a étudié l’applicabilité de la vérification en ligne aux systèmes embarqués industriels à logiciel dominant [2]. Ces systèmes sont caractérisés par des contraintes d’embarquabilité, de réactivité, de temps réel et de sûreté de fonctionnement. Ils sont également concurrents, parallèles et répartis. Une partie importante du travail a donc porté sur la prise en compte de ces caractéristiques [3]. Ces travaux ont menés au développement de l’outil Enforcer [4] (logiciel libre) qui permet la génération de moniteurs pour des systèmes centralisés à partir de propriétés exprimées à l’aide de la logique temporelle LTL, et leur intégration au sein de la plate-forme Trampoline [5, 6] (système d’exploitation temps réel (RTOS) statique conforme aux standards industriels OSEK/VDX OS et AUTOSAR OS, logiciel libre développé par l’équipe STR de l’IRCCyN).

La suite des travaux, qui forme l’ossature de cette thèse, consiste à étendre ces premiers résultats. Les problèmes à étudier sont : le pilotage du logiciel en vue d’éviter les états erronés ou retrouver rapidement un état sûr, la vérification de propriétés chronométriques et enfin la vérification de propriétés réparties. Ces problèmes ont déjà en partie fait l’objet de travaux dans la communauté scientifique. La spécificité des travaux envisagés ici, dans la lignée des travaux déjà menés dans l’équipe, est d’une part la prise en compte des caractéristiques des systèmes embarqués industriels, et d’autre part la concrétisation des résultats sous la forme d’une implémentation logicielle au sein de la plate-forme Enforcer - Trampoline.

Références

[1] M. Leucker and C. Schallhart, A brief account of runtime verification, J. Log. Algebr. Program., vol. 78, no. 5, pp. 293-303, 2009.

[2] S. Cotard, S. Faucou, J.-L. Béchennec, A. Queudet, and Y. Trinquet, A Data Flow Monitoring Service Based on Runtime Verification for AUTOSAR, in HPCC-ICESS, pp. 1508-1515, 2012.

[3] S. Cotard, S. Faucou, Jean-Luc, and Béchennec, A Dataflow Monitoring Service Based on Runtime Verification for AUTOSAR OS : Implementation and Performances, in OSPERT, pp. 46-55, 2012.

[4] Enforcer. http://enforcer.rts-software.org/. Accès le : 15/02/2013.

[5] J.-L. Béchennec, M. Briday, S. Faucou, and Y. Trinquet, Trampoline - an Open Source Implementation of the OSEK/VDX RTOS Specification, in ETFA, pp. 62-69, 2006.

[6] Trampoline - Open Source RTOS Project. http://trampoline. rts-software.org/. Accès le : 15/02/2013.

Pré requis :
Année : 2013
Ecole Doctorale : Ecole doctorale "Sciences et Technologies de l’Information, Mathématiques" (STIM)
Equipe de recherche : Systèmes Temps Réels
 
 
Conception Optimale et Commande Avancée d’un Système Actif pour l’Equilibrage Dynamique des Robots Parallèles Rapides
Encadreurs : V. Arakelyan et S. Briot
Sujet

Contexte et problématique :

Cette thèse est une partie d’un projet de recherche en Robotique nommé ARROW. L’objectif scientifique du projet ARROW est de concevoir et commander de nouveaux robots ultra-rapides ayant une très bonne précision. Pour ce faire, les travaux de recherche sont orientés autour de deux axes de recherche : (i) la conception optimale de robots et (ii) la commande avancée de robots. Ces axes, bien que décrits de manière distincte ici, ne sont pas disjoints. En effet, afin d’améliorer au mieux les capacités de nouveaux robots, il est nécessaire de créer une symbiose optimale entre la conception et la commande. C’est une nouvelle approche mécatronique de la conception prenant en compte des critères basés sur la commande.

Problèmes et opportunités :

Les problématiques liées aux grandes cadences exigées dans les opérations précises de pick-and-place sont nombreuses. Parmi celles-ci, l’équilibrage dynamique des robots rapides est un enjeu majeur [1]. L’équilibrage dynamique d’un mécanisme consiste à minimiser/annuler les réactions transmises sur le bâti par le système en mouvement [2]. En effet, ces réactions entraînent des vibrations et des fatigues de la structure bâti qui tendent à détériorer les performances des robots en termes de précision, ce qui n’est pas envisageable dans le cadre du projet ARROW.

Si l’équilibrage des mécanismes est un sujet développé depuis de nombreuses années qui maintenant semble bien maîtrisé [3]-[7], il n’en va pas de même pour l’équilibrage des robots. En effet, les rares solutions proposées [1], [8]-[11] entraînent une complexification non justifiée de la conception du robot (par l’ajout de contrepoids et de volants inertiels) qui généralement découragent le concepteur et entraînent de nombreux autres problèmes (augmentation du coût de réalisation, diminution de la raideur du robot, etc.). Il faut donc penser autrement. Récemment, dans [12], les superviseurs de ce sujet de thèse ont proposé une nouvelle approche qui consiste non plus à modifier la conception du robot par l’ajout de contrepoids, mais à contrôler de manière optimale sa trajectoire afin de minimiser les réactions des éléments mobiles du robot sur le bâti. Les résultats ont montré qu’une réduction des réactions jusqu’à 70% est possible. Ce sujet de thèse propose de valider une nouvelle approche qui consiste à concevoir un système d’équilibrage motorisé et encapsulé dans un carter, qui sera monté sur le bâti du robot réalisant ses opérations de pick-and-place et qui, par un contrôle optimal de son mouvement, permettra d’annuler les réactions transmises par le robot sur son bâti.

Travail demandé

Objectifs :

Les objectifs du travail de thèse sont les suivants :

1. Proposer un mécanisme innovant permettant de produire des forces et moments pour annuler (ou minimiser) les réactions transmises par le robot IRSBot-2 (développé dans le cadre du projet ARROW) sur son bâti

2. Faire la conception optimale de ce dispositif [13], [14]

3. Identifier le comportement dynamique de l’ensemble robot/système d’équilibrage [15]

Plan de travail prévisionnel de l’étude :

A cet effet, cette thèse abordera différents points. Tout d’abord, synthèse de mécanismes devra être réalisée afin de trouver une ou plusieurs structures optimales qui permettront de générer les efforts nécessaires à l’annulation des réactions sur le bâti du robot IRSBot‐2. Une fois ceci réalisé, il sera nécessaire d’exprimer les modèles géométriques, cinématiques et dynamiques qui serviront à la conception optimale et à la commande du système d’équilibrage. Le problème de conception optimale sera ensuite posé comme un problème d’optimisation multi‐critère pour lequel des contraintes et objectifs devront être fixés, principalement en termes de capacité dynamique du système (accélération du centre des masses, minimisation des couples moteurs nécessaires pour bouger le système d’équilibrage, etc.). Cette optimisation servira à la réalisation d’un prototype. La seconde partie de la thèse sera la mise en place d’une commande avancée sur le système d’équilibrage. Les modèles géométriques, cinématiques et dynamiques devront être identifiés afin de commander au mieux le mécanisme. Une validation expérimentale de ce concept innovant est prévue par un retour d’information des accéléromètres posés sur le bâti.

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Proposition_sujet_allocation_ArakelyanBriot
Pré requis : Les candidats devront avoir de bonnes compétences en conception de mécanismes, en robotique parallèle et en commande par couples calculés. Il est aussi souhaitable qu’ils maîtrisent les logiciels Adams et CATIA ou SolidWorks.
Année : 2013
Ecole Doctorale : Ecole doctorale "Sciences pour l’Ingénieur, Géosciences, Architecture" (SPIGA)
 
 
Modélisation avancée des performances dynamiques de broche UGV
Encadreurs : B. Furet, M. Ritou, S. Le Loch
Sujet

Le passage à l’Usinage à Grande Vitesse (UGV) a repoussé de manière spectaculaire les limites de l’usinage. La productivité et la qualité des pièces se sont vues accroître significativement. Pour cela, des électrobroches tournant de plus en plus vite et développant de plus en plus de puissance ont été conçues. Un concentré de technologie est ainsi obtenu, fonctionnant aux plus près des limites technologiques des composants, roulements à billes notamment. En contrepartie, le procédé est devenu de plus en plus complexe et difficile à maîtriser. En effet, avec des vitesses de rotation de la broche supérieures à 15 000 tr/min, de nombreux problèmes surviennent. Le comportement dynamique de l’ensemble outil-broche devient prépondérant. Le moindre incident, comme un bris d’outil ou de fortes vibrations en usinage, va endommager la broche [1]. Il en résulte des durées de vie des broches très faibles, principalement dues à des conditions d’exploitation trop sévères [2]. Ceci a une forte répercussion sur le coût des pièces. La maîtrise de l’UGV passe donc par une maîtrise du comportement dynamique de l’ensemble outil-broche, afin de pouvoir déterminer leurs conditions d’exploitations optimales [3-6].

Les travaux de thèse proposés ici feront suite à ceux de David Noël, dans l’équipe MO2P de l’IRCCyN. Ces derniers ont d’abord porté sur le développement d’un modèle de roulements à 5 degrés de liberté permettant d’intégrer de nombreux aspects technologiques des broches, dont les effets dynamiques à haute vitesse dans un assemblage de roulements préchargé [7]. Des dispositifs expérimentaux instrumentés bien spécifiques ont été développés. Ils ont permis d’enrichir et de recaler le modèle de roulement. Ce modèle a ensuite été intégré en tant que condition limite au modèle dynamique du rotor [8].

Aujourd’hui, une inconnue majeure quant aux performances des broches UGV est la robustesse du comportement dynamique vis-à-vis des conditions d’exploitation (conditions de coupe, température, montage, lubrification, état d’usure, …). Ce sera l’objet du présent sujet de thèse.

La première étape des travaux de thèse consistera à poursuivre les développements des modèles de simulation et de processus expérimentaux, en les confrontant. Ils porteront sur l’étude en dynamique de la flexion des rotors de broche et de leur comportement vibratoire (en modal et en temporel, avec une attention toute particulière quant à l’amortissement). L’influence des non-linéarités des roulements sera étudiée et le comportement des systèmes techniques adjacents au rotor sera modélisé. Le tout sera validé expérimentalement.

La seconde étape reposera sur l’étude de la sensibilité du comportement dynamique aux paramètres d’exploitation (conditions de coupe, conditions d’utilisation, état d’usure…). Pour cela, un modèle d’efforts de coupe sera mis en place dans les simulations numériques et validé par la réalisation d’essais ad-hoc. Le but sera alors de rechercher des critères discriminants permettant de caractériser les performances et la robustesse du comportement d’une broche.

Les travaux de modélisation seront confrontés à des expérimentations instrumentées, en conditions industrielles et à l’aide de dispositifs originaux développés par l’IRCCyN. Des essais seront notamment effectués au Technocampus EMC2 ou chez des partenaires industriels. Par ailleurs, ces travaux s’appuient sur des collaborations récurrentes avec des fabricants de broche (Fischer et Precise).

Références : [1] Ritou, Garnier, Furet, Hascoet, A new versatile in-process monitoring system for milling, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 46 n°15, p. 2026-2035, 2006. [2] de Castelbajac, Surveillance avancée et amélioration du procédé d’UGV, thèse de doctorat de l’Université de Nantes, 2012. [3] Abele, Altintas, Brecher, Machine tool spindle units, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 59 n°2, pp. 781–802, 2010. [4] Cao, Holkup, Altintas, A comparative study on the dynamics of high speed spindles with respect to different preload mechanisms, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 57, pp. 871–883, 2011. [5] Forestier, Gagnol, Ray, Paris, Model-based operating recommendations for high-speed spindles equipped with self-vibratory drilling head, Mechanism and Machine Theory, Vol. 46, p. 1610-1622, 2011. [6] Seguy, Insperger, Arnaud, Dessein, Peigné, Suppression of period doubling chatter in high-speed milling by spindle speed variation, Machining Science and Technology, Vol. 15 n°2, pp. 153-171, 2011. [7] Noel, Le Loch, Ritou, Furet, Complete Analytical Expression of the Stiffness Matrix of Angular Contact Ball Bearings, Journal of Tribology, 2013. [8] Noel, Ritou, Le Loch, Furet, Bearings influence on the dynamic behaviour of HSM spindle, Proceedings of the ASME 11th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, Vol.4, p107-114, 2012.

Pré requis : génie mécanique, vibrations.
Année : 2013
 
 
Méthode de génération d’exécutifs temps-réel
Encadreurs : Béchennec Jean-Luc, Roux Olivier H.
Sujet

Contexte

La conception des systèmes embarqués est une tâche particulièrement difficile car le concepteur doit simultanément gérer les aspects temps-réel, la concurrence et la répartition des fonctions. Ces systèmes sont le plus souvent très contraints économiquement et techniquement : très peu de mémoire disponible, puissance de calcul limitée.

La difficulté de la tâche est augmentée la complexité croissante des supports d’exécution (micro-contrôleurs multi-cœurs, multiplication des périphériques et de leur complexité) et des applications (multiplexage d’un grand nombre de fonctions sur un micro-contrôleur).

Dans ce contexte, l’utilisation d’un système d’exploitation (ou exécutif) permet de gérer la complexité mais entraîne des coûts additionnels en mémoire. En effet, les OS temps-réels pour les petits systèmes embarqués sont monolithiques et peu adaptables à l’application alors qu’ils doivent présenter une emprunte mémoire minimum et n’embarquer que les fonctions requises.

De plus, les applications visées sont généralement statiques (contrôle-commande, capteurs intelligents, etc) et il est donc possible de n’embarquer dans le système d’exploitation que ce qui est nécessaire voire de générer un système d’exploitation ad-hoc en fonction des besoins de l’application.

Objectifs

Le but de cette thèse est de proposer une méthode de génération de système d’exploitation multi-cœur en se basant sur une description des fonctionnalités requises (ordonnanceur, mécanisme de synchronisation, services, ...). Une piste est de partir d’un DSL (Domain Specific Language) permettant la description du système d’exploitation pour génerer le code correspondant au dessus d’un noyau minimal. À partir de cette même description, on pourra aussi générer un modèle formel sur lequel des propriétés de synchronisation ou d’ordonnancement pourront être vérifiées.

Pré requis :
Année : 2013
Ecole Doctorale : Ecole doctorale "Sciences et Technologies de l’Information, Mathématiques" (STIM)
Equipe de recherche : Systèmes Temps Réels
 
 
Représentations flexibles de contenus audio numériques pour l’exploration et l’indexation de grands corpus sonores
Encadreurs : Lagrange Mathieu, Idier Jérôme
Sujet

La captation et le stockage de données audio-numériques est à ce jour une technologie bien maîtrisée, ce qui permet la constitution de grandes bases de données issus de captation de phénomènes variés. L’exploration et l’indexation de ces corpus permettre une meilleure compréhension des phénomènes considérés. Or, la taille de ces corpus étant trop grande pour envisager une exploration humaine, il est important de disposer d’outils d’analyse computations efficace se basant sur une représentation adaptée des signaux sonores.

La plupart des représentations qui sont couramment utilisées pour modéliser ce type de contenu se base sur une mesure du niveau d’énergie dans certaines bandes de fréquence. Ces niveaux sont successivement mesurés sur de courts intervalles de temps de manière à considérer localement des processus qui sont quasi-stationnaires localement. De manière à considérer des événements sur des durées plus longues, on calcule ensuite un ensemble de statistiques résumant les variations de des niveaux. Cette étape d’intégration peut être opérée par des opérateurs mathématiques très simples (moyenne, valeur maximale, etc) ou plus évolués (Modèles de mélanges Gaussiens, etc).

Ces méthodes s’abstraient complètement de toute notion de temporalité. Or, de nombreuses études en psycho-perception et neurologie montrent que les modulations de l’énergie au sein de ces bandes de fréquence à une grande importance pour la perception humaine. En suivant le principe de complémentarité psycho-physique de Shépard, il serait donc pertinent de considérer ce type d’information pour mieux modéliser ces signaux, ce qui a été validé par des études récentes portant sur deux modèles : les "Spectro-Temporal Receptive Fields" (STRF) proposé par Dr. Shamma et le "scattering" proposé par Dr. Mallat, ayant tous deux leur laboratoire à l’École Nationale Supérieure (ENS, Paris).

Cette thèse s’inscrit dans une dynamique de collaboration avec ces deux chercheurs et se fixe les objectifs suivants :

Objectifs :

1. Étude comparative (qualitative et quantitative) des représentations du signal sonore basées modulations

2. Choix d’un périmètre d’application (type de tâches et de corpus) et définition du protocole d’évaluation

3. Recherche de méthodes permettant d’adapter la représentation à une tâche donnée en fonction de critères fixés à priori

4. Validation quantitative

5. Intégration dans un outil d’exploration et de visualisation de grands corpus sonores

Références

[1] J. Anden and S. Mallat. Multiscale scattering for audio classification. In ISMIR, pages 657–662, 2011.

[2] J. Anden and S. Mallat. Scattering representation of modulated sounds. In Int. Conf. Digital Audio Effects, 2012.

[3] Y-lan Boureau, Francis R Bach, Y. LeCun, and J. Ponce. Learning mid-level features for recognition. IEEE, 2010.

[4] Taishih Chi, Powen Ru, and Shihab a. Shamma. Multiresolution spectrotemporal analysis of complex sounds. The Journal of the Acoustical Society of America, 118(2):887, 2005.

[5] T Dau, B Kollmeier, and a Kohlrausch. Modeling auditory processing of amplitude modulation. ii. spectral and temporal integration. The Journal of the Acoustical Society of America, 102(5 Pt 1):290619, Nov 1997.

[6] C Joder, S Essid, and G Richard. Temporal integration for audio classification with application to musical instrument classification. IEEE Transactions on Audio Speech and Language Processing, 17(1):174186, 2009.

[7] S. Mallat. Group invariant scattering. Communications in Pure and Applied Mathematics, to appear, http://arxiv.org/abs/1101.2286.

[8] N. Mesgarani, M. Slaney, and S. A. Shamma. Discrimination of speech from nonspeech based on multiscale spectro-temporal modulations. In IEEE Transactions on Audio, Speech and Language Processing, pages 920–930, 2006.

[9] J Reed and CH Lee. Preference music ratings prediction using tokenization and minimum classification error training. Audio, Speech, and Language Processing, , 2011.

[10] K. Wang and S. A. Shamma. Spectral Shape analysis in the Central Auditory System. sap, 3, 1995.

Pré requis :
Année : 2013
Equipe de recherche : Analyse et Décision en Traitement du Signal et de l'Image
Ecole Doctorale : Ecole doctorale "Sciences et Technologies de l’Information, Mathématiques" (STIM)
 
 
Statistical and numerical optimization for blind Structured Illumination Microscopy
Encadreurs : Idier Jérôme, Bourguignon Sébastien, Allain Marc
Sujet

Structured illumination microscopy (SIM) enables high resolution in fluorescence images by using spatially varying illumination patterns, under the constraint that such patterns be perfectly known and controlled [Gustafsson 2005]. In practice, however, controlling illumination is a difficult question. A recent breakthrough has been obtained by Mudry et al. [2012], whose approach (called blind-SIM) achieves high resolution using unknown excitation patterns (e.g. uncontrolled random speckles), provided that their average be roughly homogeneous over the sample. A key element of blind-SIM is to simultaneously estimate the fluorescence image and the illumination patterns by solving a joint least-squares (JLS) optimization problem in both the fluorescence density and the patterns, which are alternately updated. Practical experiments reported in Mudry et al. [2012] allow to conclude that blind-SIM does produce the expected high resolution effect. However, such a positive effect remains to be better understood on an information-theoretic basis. From a statistical perspective, blind-SIM belongs to the family of joint estimation methods, where the quantity of interest (here, the fluorescence image) is obtained jointly with nuisance parameters (here, the unknown excitation patterns). In general, such joint estimators must be considered with suspicion, since their statistical behaviour is often pathological – in particular, they are likely to be inconsistent [Little and Rubin 1983].

This thesis aims at building alternate solutions for image reconstruction with blind structured illumination microscopy, with more robust statistical properties. The resulting estimators should then achieve high resolution with stronger guarantees than the procedure proposed by Mudry et al. [2012]. In particular, Maximum Likelihood (ML) estimation, and more generally M-estimation, lead to consistent results in a general and well-understood statistical framework [Little and Rubin 1983, van der Vaart 2000]. Contrary to the JLS approach, the latter estimation principles rely on a likelihood function (and more generally on a constrast function) which depends on the statistics of the nuisance parameters, but not on their specific values. While ML estimation relies on the maximization of the probability density of the data given the parameters of interest, M-estimation is a more general and tolerant setting where the maximized contrast function may result, for instance, from an approximation of the true statistics of the nuisance parameters.

The super-resolution capacity of blind SIM imaging should also be studied from a theoretical perspective. Fisher information is a mathematical tool of choice to determine the precision limit that can be achieved in blind SIM. As a corollary, the experimental setup can be adjusted to maximize Fisher information within practical constraints, according to an optimal design scheme. A recent and inspiring example of such a scheme can be found in the related context of computational photography [Trouvé 2012]. This strategy allows, for instance, the determination of the number of speckle illuminations required to reach a given precision in the reconstruction of the fluorescence density. It also gives the opportunity to optimize the statistical parameters of the speckle (e.g., its spatial correlation) used for illumination.

Implementation issues will also be central in this thesis, since the computation of such estimators leads to optimization of marginal criteria, with more complex structures than the former JLS criterion. In this per- spective, a first algorithmic structure is the well-known Expectation-Maximization (EM) strategy [Dempster et al. 1977, Fuhrmann 2007], that usually yields low cost iterations, but at the expense of slow convergence. Accelerated variants could be sought within the extended family of majorize-minimize schemes [Hunter and Lange 2004, Chouzenoux et al. 2012]. On the other hand, it is known that the gradient of the marginal criterion can be obtained as a by-product of the EM equations [Cappé et al. 2005]. Therefore, other first-order algorithms could be devised, with potentially faster convergence rate than the EM algorithm. In particular, the L-BFGS algorithm [Nocedal and Wright 1999] and interior point methods suited to large-scale problems [Armand and Segalat 2003] could represent very efficient alternatives. Finally, Markov Chain Monte Carlo (MCMC) approaches should be studied in this context as an interesting stochastic alternative to maximum likelihood estimation obtained by local optimization. MCMC algorithms allow to approximate the posterior mean for the quantities of interest, which is a marginal estimator with statistical properties comparable to maximum likelihood [Gelman et al. 2003]. The distinctive interest of the MCMC approach is to avoid the analytical integration step needed by the ML type solutions. Instead, both the object and the illumination patterns would be sampled according to their conditional posterior probability, following an updating scheme that is much alike a stochastic version of the JLS blind-SIM algorithm.

Supervisors : Jérôme Idier, CNRS - IRCCyN (40%), Sébastien Bourguignon, Ecole Centrale de Nantes - IRCCyN (30%), Marc Allain, Aix-Marseille Université - Institut Fresnel (30%).

Keywords : estimation theory, information theory, optimization and stochastic algorithms, fluorescence microscopy imaging

References

P. Armand and P. Segalat. A limited memory algorithm for inequality constrained minimization. Research report, LACO 2003-08, Université de Limoges, 2003.

O. Cappé, E. Moulines, and T. Ryd ́n. Inference in hidden Markov models. Series in statistics. Springer Verlag, New York, 2005.

E. Chouzenoux, S. Moussaoui, and J. Idier. Majorize-minimize linesearch for inversion methods involving barrier function optimization. Inverse Problems, 28:065011 (24 pages), oct. 2012.

A. P. Dempster, N. M. Laird, and D. B. Rubin. Maximum likelihood from incomplete data via the EM algorithm. Journal of the Royal Statistical Society B, 39:1–38, 1977.

D. R. Fuhrmann. Numerically stable implementations of the structured covariance expectation-maximization algorithm. SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications, 29(3):855–869, 2007.

A. Gelman, J. B. Carlin, H. S. Stern, and D. B. Rubin. Bayesian Data Analysis. Chapman & Hall, 2nd edition, 2003.

M. G. L. Gustafsson. Nonlinear structured-illumination microscopy : Wide-field fluorescence imaging with theoretically unlimited resolution. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 102(37):13081–13086, 2005.

D. R. Hunter and K. Lange. A tutorial on MM algorithms. The American Statistician, 58(1):30–37, February 2004.

R. J. A. Little and D. B. Rubin. On jointly estimating parameters and missing data by maximizing the complete-data likelihood. The American Statistician, 37:218–220, August 1983.

E. Mudry, K. Belkebir, J. Girard, J. Savatier, E. Le Moal, C. Nicoletti, M. Allain, and A. Sentenac. Structured illumination microscopy using unknown speckle patterns. Nature Photonics, 6(5):312–315, 2012.

J. Nocedal and S. J. Wright. Numerical Optimization. Series in Operations Research. Springer Verlag, New York, 1999.

P. Trouvé. Conception conjointe optique/traitement pour imageur compact à capacité 3D. PhD thesis, Ecole Centrale de Nantes, France, 2012.

A. W. van der Vaart. Asymptotic Statistics. Cambridge University Press, 2000.

Pré requis :
Année : 2013
Equipe de recherche : Analyse et Décision en Traitement du Signal et de l'Image
Ecole Doctorale : Ecole doctorale "Sciences et Technologies de l’Information, Mathématiques" (STIM)
 
 
Modélisation et vérification des propriétés logico-temporelles des mémoires transactionnelles logicielles temps réel
Encadreurs : Lime Didier, Queudet Audrey
Sujet

Mots-clés :

systèmes multicoeur, programmation concurrente, mémoire transactionnelle, ordonnancement multiprocesseur, modélisation, vérification formelle.

Contexte et problème :

La mémoire transactionnelle logicielle (Software Transactional Memory – STM en anglais) est un mécanisme de synchronisation pour l’accès à des données partagées en mémoire. Contrairement à des solutions à base de verrouillage (ex : sémaphores), les accès s’effectuent de manière optimiste, ce qui permet d’exploiter pleinement le parallélisme des processeurs multicoeur. Dans le cas où un conflit d’accès survient, les transactions sont rejouées.

Les réseaux de Petri sont largement utilisés pour modéliser le comportement dynamique de systèmes discrets (ex : systèmes manufacturiers, calculateurs numériques, etc.). Pour définir l’état d’un système modélisé par un réseau de Petri, il est nécessaire de compléter le réseau de Petri par un marquage. Celui-ci consiste à disposer un nombre entier (positif ou nul) de marques ou jetons dans chaque place du réseau de Petri. L’analyse associée consiste notamment à déterminer tous les états atteignables et à en déduire diverses propriétés du système.

Dans cette thèse, l’objectif est de venir modéliser et vérifier les propriétés logiques et temporelles des protocoles de concurrence des mémoires transactionnelles logicielles temps réel.

Approche proposée :

Le travail envisagé consiste à proposer une modélisation à base de réseaux de Petri ainsi qu’une analyse formelle qui permette la vérification logique (atomicité, isolation, consistance) et temporelle d’une mémoire transactionnelle temps réel. Plus précisément, il conviendra de proposer une modélisation qui permette de vérifier la validité du protocole de concurrence d’une mémoire transactionnelle sur la base de ses algorithmes de contrôle de l’accès aux objets partagées (algorithme d’ouverture d’un objet en lecture, algorithme d’ouverture d’un objet en écriture, algorithme de mise à jour d’un objet) et de son protocole de résolution des conflits.

Notamment, il faudra que cette analyse soit en mesure de nous garantir des propriétés plus ou moins fortes : aucune transaction ne progresse jamais, au moins une transaction progresse, toutes les transactions progressent en satisfaisant leur échéances, etc.

Pré requis :
Année : 2013
Equipe de recherche : Systèmes Temps Réels
 
 
Vers une Mémoire transactionnelle Temps réel sous contraintes de Qualité de Service
Encadreurs : Queudet Audrey, Roux Olivier-Henri
Sujet

Mots-clés :

systèmes multicoeur, programmation concurrente, mémoire transactionnelle, ordonnancement multiprocesseur, Qualité de Service.

Contexte et problèmatique :

Dans le contexte des systèmes temps réel à base de processeurs multicoeur, une des problématiques ouvertes repose sur la manière dont sont gérés les accès concurrents aux données partagées. La concurrence pour l’accès à une ou plusieurs ressources partagées entre tâches survient lorsque deux tâches ou plus essaient d’accéder aux mêmes données partagées et qu’au moins un des accès est une écriture. Jusqu’à présent, des solutions à base de verrous (ex : spinlocks [Cra93, Joh93, Mar91]) étaient communément adoptées dans les supports d’exécution temps réel pour garantir la cohérence des données partagées. Ces mécanismes simples de synchronisation basés sur l’attente active, peuvent cependant provoquer des interblocages. Avec l’avènement du multicoeur, les solutions à base de verrouillage sont d’autant plus remises en cause qu’elles viennent réduire le parallélisme des processeurs multicoeur. En effet, si une application contient un grand nombre de sections critiques qui doivent s’exécuter séquentiellement dans le temps, alors l’accroissement des performances sur un système multicœur sera minimal [Mar08]. Dans cette thèse, l’objectif est précisément de venir fournir des garanties d’accès aux données partagées individuellement pour les tâches, tout en respectant leur contraintes temporelles.

Approche proposée :

Le but de cette thèse est de gérer efficacement les accès concurrents à la mémoire dans les systèmes temps réel multicoeur, en particulier lorsque la contention des données est forte (cas de « surcharge temporaire » au niveau des accès mémoire). Il s’agira de proposer des solutions pour garantir aux tâches temps réel un niveau minimum de QoS quantifié en termes de taux d’accès garanti vis-à-vis des variables partagées. Le travail consistera dans un premier temps à proposer un modèle étendu de tâches temps réel partageant des ressources sous contraintes de QoS gérées par une mémoire transactionnelle. Une fois le modèle établi, il conviendra de spécifier des tests d’ordonnançabilité permettant de garantir hors-ligne non seulement le respect des contraintes temporelles des tâches mais également pour chacune d’entre elles, un nombre maximal de transactions annulées en fonction de la QoS souhaitée pour leurs accès mémoire. Dans un second temps, il s’agira de proposer de nouveaux protocoles de concurrence permettant de garantir des accès aux ressources partagées sous contraintes de QoS. Ceux-ci devront être validées formellement avant d’être intégrés et testés sous un système d’exploitation temps réel.

Pré requis :
Année : 2013
Equipe de recherche : Systèmes Temps Réels
 
 
Commande d’une prothèse avec des signaux EMG.
Encadreurs : Yannick Aoustin-Eric Le Carpentier
Pré requis : connaissance en automatique, robotique, traitement du signal et outils de simulation.
Année : 2013
Equipe de recherche : Analyse et Décision en Traitement du Signal et de l'Image
Equipe de recherche : Robotique
Ecole Doctorale : Ecole doctorale "Sciences et Technologies de l’Information, Mathématiques" (STIM)