Direction scientifique
Transfert de connaissances vers l'industrie

Nos Thèses par thème

Apprentissage automatique pour la gestion intelligente de batteries de nouvelle génération à architecture reconfigurable

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Electronique avancée, Energie et Puissance

formation ingénieur ou master

01-10-2019

SL-DRT-19-0379

vincent.heiries@cea.fr

Situé au sein du campus MINATEC à Grenoble, la mission principale du CEA-Leti consiste à créer de l'innovation et la transférer à l'industrie, en générant des résultats de recherche préparant des exploitations industrielles à moyen et long terme, positionnant sa recherche entre la recherche académique et le R&D industrielle. Au sein du LETI/DSYS, le Service Systèmes de Capteurs, électronique pour l'Énergie a notamment pour mission la conception et la réalisation de systèmes innovants pour répondre à des besoins d'innovations industrielles dans des domaines très variés allant de l'automobile au sport en passant par le domaine du bâtiment. Les compétences qui sont mises en jeu vont de l'électronique à la physique en passant par l'électromagnétisme, la magnétostatique, le traitement du signal et les mathématiques appliquées. La thèse se déroulera au sein du Service SSCE, dans le Laboratoire d'Électronique avancée et d'Électronique pour la Puissance (LETI/DSIS/SSCE/L2EP). Le L2EP développe des solutions pour l'interface et la gestion d'énergie dans les systèmes. Les thématiques du laboratoire portent notamment sur les systèmes électroniques innovants de gestion de pack-batteries Li-ion (Lithium-ion) pour les véhicules électriques. Du transport électrique aux réseaux électriques intelligents en passant par les loisirs et l'industrie, l'utilisation des batteries connait une croissance très rapide et semble être promise à un bel avenir. Bien qu'ayant profité de progrès majeurs au cours des dernières années, les batteries souffrent toujours de certaines limitations, notamment en terme de sécurité, d'autonomie et de durée de vie. Dans ce contexte, l'architecture brevetée de batterie reconfigurable à cellules commutées proposée et développée dans le laboratoire L2EP représente une innovation majeure dans ce domaine et permet d'aller au-delà de ces limitations. Aujourd'hui, les batteries sont constituées d'une mise en série figée de cellules traversées par le même courant. Ces systèmes sont alors limités par la plus faible des cellules mises en série. L'avantage majeur de l'architecture de batterie reconfigurable mise au point est de pouvoir contrôler de manière individuelle et dynamique chaque cellule d'un pack batterie, et ainsi pouvoir proposer de nouvelles fonctionnalités (reconstruction d'un signal sinusoïdal, isolation, sollicitation dynamique des cellules en fonction de leurs états de santé?). Cette architecture permet une reconfiguration complète en temps réel de la topologie de la batterie. Par ailleurs, grâce à cette innovation, on peut s'affranchir des composants habituellement essentiels pour un système batterie mis en ?uvre dans une application en courant alternatif : le chargeur, et l'onduleur. Le gain en coût, volume et poids du système est alors très conséquent. Le premier objectif de cette thèse est l'élaboration d'algorithmes d'estimation innovants des indicateurs SoX (SoC : State of Charge ; SoH : State of Health, SoE : State of Energie, SoP : State of Power) des accumulateurs en s'appuyant sur une utilisation optimale des potentialités nouvelles offertes par l'architecture reconfigurable à cellules commutées. En effet, cette architecture apporte des fonctionnalités inédites ouvrant le champ à l'implémentation de nouveaux algorithmes au sein du « Battery Management System ». Actuellement, il existe une littérature abondante sur les estimateurs SoX de batteries. Ces études affichent des résultats variés en terme de précision et de robustesse. L'évaluation fiable et précise des variables telles que l'impédance et la capacité cellule, reste à ce jour un challenge et nécessite souvent une campagne de caractérisation en laboratoire lourde et couteuse en amont. Il reste un potentiel d'amélioration important dans l'estimation des indicateurs SoX. En particulier, l'estimation de la capacité cellule pourrait être grandement améliorée par un recalage de l'estimateur, rendu possible par une charge-décharge maitrisée de certaines cellules de manière individuelle ; l'évaluation de l'impédance en ligne peut être optimisée par un processus d'identification actif appliqué à une cellule. Il est même envisageable d'opérer un recalage en ligne de la caractéristique « Open Circuit Voltage (OCV) » en fonction de « l'état de charge (SoC) ». Les algorithmes d'estimation de SOx de type observateurs bayésiens et d'apprentissage automatique (Machine Learning) bénéficieront pleinement de ces fonctionnalités et pourraient afficher des performances inégalées. Le deuxième objectif de la thèse est de proposer un algorithme se basant sur les estimations décrites ci-dessus et permettant d'exploiter de manière optimale l'énergie de l'ensemble des cellules de la batterie afin d'augmenter l'autonomie du système tout en maximisant sa durée de vie.

Réseaux compacts d'antennes ultra-large bande en bande Ka

Département Systèmes

Laboratoire Antennes, Propagation, Couplage Inductif

Master

01-09-2019

SL-DRT-19-0386

loic.marnat@cea.fr

Les systèmes de communication (e.g. 5G) ou de radar (e.g. automobile) millimétriques requièrent des antennes directives afin de compenser les pertes en transmission et des antennes larges bandes pour assurer, suivant l'application visée, un débit important ou une résolution fine. L'agilité du rayonnement devient donc un point clé. Les antennes réseaux offrent des avantages indéniables avec un compromis entre un nombre d'éléments rayonnants et un nombre de circuits actifs pour atteindre les performances requises en matière de formation de faisceau et de puissance rayonnée (dans un facteur de forme imposé par le système cible). Néanmoins, les règles de conception classiques liées à l'agencement des éléments peuvent être un frein pour l'intégration du réseau dans un certain nombre d'applications et aboutissent généralement à des bandes passantes et des gammes de dépointage relativement réduites. L'objectif de cette thèse est de s'affranchir de ces limitations et concevoir des réseaux plus compacts tout en assurant des performances exceptionnelles en matière de bande de fonctionnement et de gamme de dépointage. Pour cela, les études porteront sur la mise en réseau d'éléments miniatures fortement couplés. La compréhension et la modélisation de ces réseaux compacts passeront par : - L'état de l'art sur les antennes réseaux à éléments couplés large bande, - L'étude théorique du fonctionnement d'éléments couplés et les lois régissant leurs couplages, - La conception d'éléments miniatures ultra-large bande et leurs mises en réseau. Les choix technologiques viseront une solution bas coût. - Réalisation et mesures d'un prototype sur la bande Ka. Cette thèse aboutira à la réalisation de prototypes actifs peu encombrants et larges bandes comparé à l'état de l'art. Ceci ouvrira la voie à l'utilisation de réseaux d'antennes performants et facilement intégrable pour des applications avec des environnements complexes et contraints du type terminaux et points d'accès 5G ou radars automobiles millimétriques, ou encore pour des antennes spatiales avancées.

Etude et implémentation d'algorithmes de deep learning non récurrents pour le traitements de séquences temporelles

Département Architectures Conception et Logiciels Embarqués (LIST-LETI)

Laboratoire Calcul Embarqué

Master 2 avec spécialité en deep learning

01-01-2019

SL-DRT-19-0393

david.briand@cea.fr

Les réseaux de neurones récurrents ? et notamment la variante Long-Short Term Memory (LSTM) ? sont aujourd'hui à l'état de l'art dans de nombreux problèmes de classification de séquences temporelles et notamment les applications de reconnaissance vocale (à partir de 2015 pour Android) et de traduction (à partir de 2016 chez Google, Apple et Facebook). Ce type d'algorithme a également été appliqué avec succès pour des applications telles que la reconnaissance d'évènement audio, le débruitage, la modélisation du langage, la génération de séquences etc. Le succès que connaissent aujourd'hui ces approches se fait toutefois au prix de puissance de calcul extrêmement importante. Ainsi, la plupart de ces algorithmes sont exécutés sur le Cloud et non sur l'Edge. En outre, les réseaux récurrents sont très sensibles aux paramètres d'apprentissage et peuvent être difficile à faire converger du fait que les gradients interne à leur structure récurrente peuvent facilement exploser ou au contraire se réduire à zéro. De ce fait, l'adaptation de ces algorithmes pour une implémentation embarquée n'est pas simple, car la récurrence implique une précision élevée et en partie séquentielle (latence importante) des calculs. Certaines techniques visant à contourner ces difficultés commencent à émerger mais restent encore relativement confidentielles. Parmi elles, une technique non récurrente permettant de réaliser un traitement de séquences et présentant donc moins de contraintes que les réseaux LSTM semble prometteuse : les réseaux hiérarchiques. Les réseaux de convolution temporels (TCN) en sont une application. Les avantages et inconvénients de ce modèle notamment sont mis en évidence dans « An Empirical Evaluation of Generic Convolutional and Recurrent Networks for Sequence Modeling » (Shaojie Bai, J. Zico Kolter, Vladlen Koltun). Une implémentation basique de chacune des structures révèle que les TCN sont plus efficaces dans la quasi-totalité des cas référents. Les gradients internes sont beaucoup plus stables et les calculs sont facilement parallélisables du fait de l'élimination de la récurrence.

Mélanger l'intuition au raisonnement - Apprentissage profond amélioré avec de la logique algorithmique et l'abstraction

Département Ingénierie Logiciels et Systèmes (LIST)

Labo.conception des système embarqués et autonomes

Diplôme de niveau Master (M2) dans une discipline en informatique

01-01-2019

SL-DRT-19-0401

shuai.li@cea.fr

Dans la discipline de l'apprentissage par machine, l'apprentissage profond, basé sur les réseaux de neurones, est une sous-discipline qui a pris de l'importance grâce à de nombreux succès significatifs. Contrairement au raisonnement machine classique, la méthode statistique par laquelle un réseau de neurones résout un problème peut être vue comme une forme primitive d'intuition. Cependant, actuellement le seul succès réel de l'apprentissage profond est sa capacité auto-configurer sa logique géométrique qui lui permet de transformer des données représentées par des points dans une dimension n, en des données représentées par d'autres points dans une dimension m, si on fournit suffisamment de données d'entraînement. Contrairement à un être humain, un réseau de neurones n'a pas la capacité de raisonner à travers la logique algorithmique. De plus, même si les réseaux de neurones sont extrêmement puissants pour une tâche donnée, puisqu'ils n'ont pas la capacité de généralisation globale, toute déviation dans les données d'entrée entraînerait des résultats surprenants, ce qui limite leur réutilisabilité. Avec le coût de développement important des réseaux de neurones, on comprend dès lors que leur intégration n'est pas toujours économiquement viable. C'est pourquoi il est nécessaire de les abstraire, encapsuler, réutiliser, et composer. Même s'ils sont absents de l'apprentissage profond, la logique algorithmique et l'abstraction sont aujourd'hui innées à l'ingénierie logicielle classique, à travers des primitives de programmation, des paradigmes d'architecture logicielle, et des patrons méthodologiques matures comme l'Ingénierie Dirigée par les Modèles. C'est pourquoi, dans cette thèse, nous proposons de mélanger l'intelligence algorithmique réutilisable, offrant la capacité de raisonner, avec l'intelligence géométrique réutilisable, offrant la capacité à l'intuition. Pour atteindre cet objectif, nous pouvons explorer des idées comme l'intégration de primitives de contrôle dans les réseaux de neurones, l'application de paradigme d'architecture logicielle dans les modèles de réseau, et l'assemblage de systèmes modulaires utilisant des librairies contenant des modules algorithmiques et géométriques. Les résultats de cette thèse sont une étape dans le but global d'aider les entreprises à assembler des systèmes d'IA pour leurs problèmes spécifiques, en limitant le coût d'expertise, effort, temps, et données associé à l'intégration de réseaux de neurones.

Conception d'antenne directive miniature et agile sur plusieurs octaves

Département Systèmes

Laboratoire Antennes, Propagation, Couplage Inductif

Master 2 , école d'ingénieurs en électronique (Antenne, Hyperfréquences)

01-09-2019

SL-DRT-19-0423

serge.bories@cea.fr

Dans le sillage du «New Space », les prochaines générations de constellation de micro-satellites nécessitent de revoir l'agencement des antennes disposées sur la face ?Terre' des satellites d'observation. Au regard des contraintes de poids et d'encombrement, la stratégie d'une unique antenne à rayonnement directif unidirectionnel et très large bande (2.5 octaves à partir des bandes VHF) est fortement attractive. Le défi technique consiste à concevoir des structures rayonnantes électriquement petites dans les bandes les plus basses puis de maitriser la qualité et la stabilité du rayonnement à double polarisation circulaire sur le reste de la bande. Concernant les antennes directive très large bande, la réduction de l'épaisseur contraint fortement les performances en terme de bande passante. L'objectif ambitieux est d'atteindre un facteur de miniaturisation de 4 en surface et de 2 en épaisseur par rapport à l'antenne de type dipole magnéto électrique (DMEC) [1]. La stratégie innovante proposée par le CEA LETI vise à contourner le problème des limites physiques des antennes électriquement petite en tirant profit du compromis miniaturisation/bande passante/efficacité [2]. En effet les récepteurs couvrant une très large bande, ne fonctionnent instantanément que sur une sous-bande passante bien plus étroite. L'innovation majeure de la thèse exploite cette réduction de la bande instantanée pour miniaturiser fortement des sources de type Huygens (naturellement uni-directionnelles [3]) par chargement capacitif. En intégrant des composants pilotables (de type banc de capacités commutées développé au CEA LETI [4]) à même la structure rayonnante de l'antenne, on démontrera que l'antenne peut adresser une excursion de plusieurs octaves. L'enjeu scientifique est de dégager une solution générique de type double source de Huygens agile en fréquence et d'en étudier les performances en fonction de la largeur de bande instantanée, des caractéristiques des composants pilotables (excursion, pertes). Des développements seront menés pour optimiser le chargement de la structure antennaire, limiter les phénomènes de pertes. Des analyses viseront à développer des modèles permettant de dégager des stratégies de conception et de se confronter aux limites théoriques bande passante/miniaturisation et efficacité [5]. Une attention sera portée à la sensibilité au contexte de ce genre d'antenne miniature et des solutions pour atténuer cet effet seront suggérées. Enfin plusieurs prototypes fonctionnels seront réalisés et caractérisés expérimentalement dans la grande chambre anéchoïde au CEA LETI ou au CNES pour démontrer par la mesure les avancées réalisées en matière d'antennes miniatures directives agiles en fréquence. Références: [1] A. Kaddour, S. Bories, A. Bellion and C. C. Delaveaud, "3D Printed Compact Wideband Magneto-Electric Dipoles with Circular Polarization," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. [2] J. S. McLean, "A re-examination of the fundamental limits on the radiation Q of electrically small antennas," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 44, no. 5, pp. 672-, May 1996. [3] P. Alitalo, A. O. Karilainen, T. Niemi, C. R. Simovski and S. A. Tretyakov, "A linearly polarized huygens source formed by two omega particles," Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), Rome, 2011, pp. 2302-2305. [4] D. Nicolas et al., "SOI CMOS tunable capacitors for RF antenna aperture tuning," 2014 21st IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Marseille, 2014, pp. 383-386. [5] Morteza Shahpari, David V. Thiel, "Fundamental limitations for antenna radiation efficiency", accepted for publication in IEEE TRANS. ANTENNAS PROPAG. VOL. 66, NO. X, 2018 1

Etude de nouvelles solutions pour la sécurité des systèmes embarqués

Département Systèmes

Laboratoire Sécurité des Objets et des Systèmes Physiques

Systèmes embarqués, cybersécurité

01-02-2019

SL-DRT-19-0426

pierre-henri.thevenon@cea.fr

Depuis quelques années, le nombre de systèmes connectés augmente de façon exponentielle et devrait atteindre plusieurs dizaines de milliards d'ici 2020. Une majorité de ces dispositifs n'intègrent pas ou peu de sécurité et peuvent permettre de créer des attaques massives impliquant un nombre important d'objets. Dans les systèmes embarqués IOT et I-IOT, ils existent maintenant des solutions hardware et software fournissant des primitives cryptographiques permettant de sécuriser une interface de communication ou le stockage de données. Cependant, ces solutions ne permettent pas de traiter la problématique de la sécurité dans sa globalité. A partir de l'étude de scénario d'attaques existants, des normes et textes réglementaires, cette thèse devra définir les besoins en sécurité d'un système embarqué tout au long de son cycle de vie. Une attention particulière devra être portée à la détection de menaces, l'intégrité hardware et logicielle, la résilience du système, et à la définition d'une nouvelle interface de commissioning. De nouvelles solutions seront étudiées et développées afin de répondre aux problématiques précédemment définis et non traitées dans les solutions existantes. L'implémentation de ces nouvelles briques technologiques sera les prémices du développement d'un nouveau composant appelé superviseur de sécurité. Ce composant pourrait, à terme, être intégré dans la majorité des systèmes embarqués afin de renforcer leur défense en profondeur.

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