Intégration d'architectures mixtes reconfigurables : Application à la détection de défauts dans des structures hétérogènes

Integration of mixed programmable architectures : applied to fault detection in heterogeneous structures

• Auteur / Autrice : Sabeha Fettouma Zedek
• Direction : Jean-Yves Fourniols, Christophe Escriba
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanosystèmes
• Date : Soutenance le 23/03/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....) - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] [LAAS]
• Jury : Président / Présidente : Alain Cazarre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Fourniols, Christophe Escriba, Carmen Martin, Francois Peres, Thierry Sentenac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : El Bay Bourennane, Camel Tanougast

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Contrôle non destructif

Capteurs piézoélectriques

Mots clés libres

SHM

FPAA

SoC

CND

Aéronautique

Ouvrages d’art

Zynq

Intégrité des structures

Système hybride

SHM

Zynq

FPAA

SoC

CND

Hybrid system

Résumé

Les activités scientifiques que nous présentons dans ce manuscrit de thèse s’inscrivent dans la thématique de l’intelligence ambiante, axe stratégique ADREAM au sein du LAAS-CNRS. Depuis plusieurs années notre équipe de recherche N2IS fédère l’approche technologique de la SHM avec pour objectif la surveillance de santé structurelle. En effet, la maturité des matériaux innovants tels que les composites suscitent un intérêt certain auprès des constructeurs aéronautiques, ou bien encore l’utilisation des matériaux de type béton pour des ouvrages d’art, sont autant de structures hétérogènes qui nécessitent une surveillance périodique et/ou continue. Ceci, afin de détecter des cracks, des fissures, des corrosions surfaciques ou bien encore des délaminages. Pour ce faire, les solutions existantes s’appuient usuellement sur des technologies de contrôle non destructif (CND) qui intègrent le plus souvent des réseaux de capteurs à faible consommation interfacés avec des systèmes d’analyses des signaux. Ces approches CND présentent des limitations fonctionnelles majeures : elles ne sont pas versatiles et ne permettent pas d’assurer une continuité de service dans un mode « dégradé » lors d’un fonctionnement sur batterie avec un niveau d’énergie minimal. Notre travail de recherche se situe dans une perspective liée à la quantification d’un niveau de robustesse de structure hétérogène. Il a pour ambition le développement et l’intégration de systèmes matériels mixtes (analogiques/numériques) reconfigurables. Au terme d’une investigation sur les principales solutions technologiques matérielles reprogrammables et compte tenu de la problématique liée aux développements d’algorithmes d’analyse embarqués et de la minimisation de la consommation énergétique des capteurs, le choix s’est porté sur des technologies complémentaires FPAA et FPGA. Initialement nos études de recherche se sont focalisées sur l'étude de fonction analogique matérielle reconfigurable analogique. L'objectif est de démontrer une faisabilité conceptuelle en intégrant un système de conditionnement complexe (implémentation d'une technique de détection synchrone), ceci en considérant le compromis entre la prise de décision d’une reconfiguration à la volée vis-à-vis d’une gestion rationnelle de l'énergie du système. Dès lors, se pose la question de comment intégrer et stocker des données nécessaires au développement d’un traitement numérique performant ? Une solution repose sur une approche hybride avec une puce de type Zynq produite par Xilinx et embarquée sur une Zedboard. Cette solution, plus performante qu’une approche PSoC a permis le développement et l’implémentation de techniques de traitement de signal grâce à des outils d'optimisation et de génération de code de haut niveau. Au terme de ce travail de recherche, les résultats obtenus démontrent la validité des concepts mis en œuvre et permettent d'engager dès à présent le développement d’architectures intelligentes de nouvelle génération

Scientific activities described in this PhD thesis are part of the theme of smart environment, strategy axes of ADREAM with the LAAS-CNRS. Since several years, our research team (N2IS) had a field of interest in SHM (Structural Health Monitoring) with the objective of doing a smart diagnostic on different heterogeneous structures. Indeed, the maturity of innovative materials such as composites triggering interest among aircraft manufacturers, or even the use of materials like concrete structures of civil engineering, all those heterogeneous structures that require periodic monitoring and / or continuous one. This is to detect cracks, disbond, surface corrosion or even delamination. To do this, existing solutions usually rely on technologies of nondestructive testing (NDT) that incorporate mostly sensor networks low-power systems interfaced with analysis of signals. These approaches have significant functional limitations: they are not versatile and do not allow for continuity of service in a "degraded" when operating on battery power with a minimum level of energy mode. Our research is a view related to the quantization level of robustness of a heterogeneous structure. Its aim is the development and integration of hardware reconfigurable mixed (A / D ) systems. After an investigation of the main technological solutions reprogrammable hardware and given the problems associated with developments in analytical embedded and minimizing the energy consumption of sensor algorithms. The choice was based on technologies like FPAA and FPGA. Initially our research studies have focused on the study of reconfigurable analog hardware analog. The objective was to show a conceptual feasibility of integrating a complex conditioning system (implementation of a synchronous detection technique), considering the tradeoff between a decision on the fly reconfiguration and a rational energy management system. Therefore, the question of how to integrate and store data necessary for the development of an efficient digital processing. A solution based on a hybrid approach with a chip produced by Xilinx called Zynq and embedded on a Zedboard. This solution is more efficient than a PSoC approach and allowed the development and implementation of signal processing techniques with tools for optimization and provided a solution of self-generation code trough a graphic interface. Following this research, the results obtained demonstrate the validity of the concepts implemented and allow us to imagine the next smart generation architectures