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Résumé : Les domaines de l'AUTOMOBILE et de la SANT´E, dans lesquels nous avons choisi d'investir, posent de nombreux problèmes de modélisation, commande et informatique temps réel. Nous approfondissons les thèmes suivants :
Dans le domaine Automobile, en coopération avec Renault : la dépollution des moteurs thermiques (essence et diesel), la sécurité active (problèmes liés à l'adhérence) et les futurs systèmes embarqués de contrôle distribué pour automobiles (problèmes de programmation de tâches de commande sur un réseau de micro-contrôleurs).
Dans le domaine de la Santé, en coopération avec l'Inserm, l'Assistance Publique et des partenaires européens : les systèmes de pré-traitement temps réel de signaux polygraphiques pour la recherche médicale, les applications cliniques, la télé-médecine (diagnostic et thérapie).
Résumé : Ce domaine concerne actuellement, dans le cadre de la coopération avec Renault, les projets META2, PAMPA, PROMATH, SIGMA2, SOSSO et dans un cadre ``Post Praxitele'' consacré aux véhicules électriques, BIP, ICARE, SHARP, SOSSO...On ne décrit ici que les grandes lignes de la coopération avec Renault qui donne lieu à un accord cadre. Pour résumer, on peut dire que les recherches concernent, d'une part la modélisation, l'identification, la surveillance/diagnostic et la commande d'organes isolés ou de groupes d'organes, d'autre part l'informatique temps réel embarquée à bord des véhicules.
Le domaine de l'accord-cadre Inria-Renault signé en janvier 96
pour une durée de quatre ans est l' électronique
embarquée, ce qui signifie ici Automatique et informatique
temps-réel.
Les thèmes de l'accord sont :
Thème 1 : pilotage et surveillance/diagnostic d'organes
isolés
Thème 2 : gestion globale des organes
Thème 3 : pilotage automatique du véhicule,
confort/ergonomie
Thème 4 : multiplexage, réseaux temps réel, logiciels pour
la conception de systèmes temps réel.
Les activités de recherche concernées peuvent être classées par
Axes de recherche et Fonctions/technologie. Nous
indiquons le classement actuel des thèmes concernant
potentiellement les projets Inria (en faisant apparaître en gras
les domaines dans lesquels ils sont actifs aujourd'hui).
Classement par axes de recherche :
pollution, consommation, sécurité,
prestation valorisable par le client, qualité-coût-délai
(QCD), systèmes de transport.
Classement par fonctions-technologie :
moteur, boîte de vitesse, groupe
moto-propulseur (moteur + boîte); freinage;
direction; contrôle longitudinal; interfaces
homme-machine; aide à la conduite; air bag, éclairage,
essuyage; navigation et communication; confort (climatisation,
sièges, ...); antivol; véhicule électrique ou hybride.
automatique, traitement du signal; détection de l'environnement; multiplexage, architecture électronique; logiciel; micro-électronique, capteurs, métrologie; actionneurs; gestion électrique; CEM.
Les principaux problèmes, dans le cadre de cette coopération,
sont probablement :
1. La réduction de la pollution et de la consommation des moteurs
thermiques imposée par les futures normes. Les espoirs
d'amélioration sont importants, ce qui fait que ce type de
moteurs a sans doute encore de l'avenir, même si les solutions de
substitution (moteurs électriques, à hydrogène...) progressent.
Ces espoirs viennent en général de progrès technologiques :
nouveaux moteurs (injection directe essence ou diesel), nouveaux
pots catalytiques pour mélanges pauvres, nouveaux capteurs de
richesse des gaz...
Pour l'automaticien, le problème consiste à proposer des algorithmes de commande ou surveillance/diagnostic tirant le meilleur parti de ces progrès technologiques. La modélisation est une étape importante, aucun modèle pour la commande n'étant disponible en général pour un nouvel organe. Elle se fait en collaboration avec les chimistes et motoristes. L'automatisation des organes isolés pose bien sûr des problèmes intéressants scientifiquement et industriellement, mais un aspect nouveau est l'approche système, rendue nécessaire pour aborder ces problèmes globaux que sont la gestion de l'énergie, la maîtrise de la pollution, la sécurité.
2. La maîtrise de la complexité de l'``électronique
embarquée'', qui est en fait de plus en plus de l'informatique
distribuée embarquée. C'est une étape obligée pour envisager des
fonctions sophistiquées comme la commande simultanée d'organes en
vue de prestations de sécurité ou d'aide à la conduite
(anti-collision, AICC...). Remarquons que l'origine de cette
complexité est l'approche contrôle/commande de systèmes déjà
mentionnée. Un enjeu important est la réalisation de logiciels
temps réel vérifiables et fiabilisés.
Les futurs systèmes de commande d'organes à travers un réseau
informatique, offrent un bel exemple de co-design de système
d'automatique embarqué. La méthodologie A
a été utilisée
dans l'action Praxitèle pour réaliser la commande d'un véhicule
urbain électrique comprenant un bus CAN. Cela préfigure ce que
serait son utilisation dans le secteur automobile. 0.25by 0pt
plus 2pt
Résumé : L'étude des signaux physiologiques fait appel aux méthodes générales de traitement du signal. L'étude des régulations biologiques, de leurs dysfonctionements et de leurs traitements peut tirer profit des méthodes de l'automatique : modélisation, identification, commande. L'utilisation conjointe de techniques de traitement du signal et d'automatique permet d'étudier le système cardio-vasculaire et sa régulation par le système nerveux autonome. Ces études conduisent à des outils pour les applications à la clinique.
Les signaux physiologiques sont des fenêtres d'accès au système cardio-vasculaire (SCV) et à son contrôle par le système nerveux autonome (SNA). Ils permettent une approche descriptive, spéculative, du fonctionnement du SCV et du SNA, à travers l'étude du rythme cardiaque, de la pression artérielle, de la respiration et de leur adaptation à des conditions physiologiques (motilité, états veille-sommeil, orthostatisme...) ou pathologiques. Cette approche est enrichie et confirmée par les effets d'agents pharmacologiques (ou interventions chirurgicales) sur les indicateurs issus de l'analyse. Les variables observables sont des indicateurs du bon fonctionnement du système : en particulier, les variations de haute fréquence du rythme cardiaque et de la pression artérielle, expriment l'influence de la respiration, les variations de basse fréquence expriment l'activité des baroréflexes, contrôlés par le SNA.
Ces variables observables sont directement accessibles par des
méthodes de traitement du signal ; méthodes de détection
d'événements sur les signaux bruts (intervalles RR à partir de
l'ECG...) et méthodes d'analyse, spectrales et temps-fréquence
adaptées aux signaux non stationnaires : démodulation
complexe modifiée, transformation de pseudo Wigner-Ville lissée,
transformation en ondelettes discrète. Ces méthodes ont été
implémentées dans LARY_C (voir la section ![[*]](../icons/cross_ref_motif.gif){kind=icon}
).
Ces méthodes tentent de caractériser les variables (essentiellement le rythme cardiaque) par l'estimation de caractéristiques statistiques globales de systèmes dynamiques déterministes présentant une dépendance sensible des conditions initiales, sans chercher à identifier des paramètres internes de ces systèmes.
Permettre le traitement de grosses quantités d'informations : l'identification des paramètres du modèle peut fournir des informations synthétiques qui ne sont pas données directement par les signaux recueillis. Certains paramètres ayant un sens physique particulier peuvent fournir des indicateurs de bon fonctionnement. Des indicateurs déjà utilisés (comme la sensibilité du baroréflexe) seront ainsi évalués numériquement de façon plus précise, ou mieux compris dans le cadre d'un modèle à base physiologique.
La simulation du modèle permet de faire de la
prédiction et peut donc amener à l'utiliser dans l'enseignement
(comme c'est déjà le cas dans certains pays).
De plus, grâce à l'aide de systèmes de monitorage, on peut suivre
en temps réel certains indicateurs du système décrit et donc
fournir aux cliniciens un outil de surveillance /
diagnostic.
Enfin, le but final de la modélisation d'un système du point de
vue de la commande est d'obtenir des points d'entrée, en
particulier pharmacologiques, qui permettent de modifier son
comportement dans un sens souhaité et donc de proposer des
stratégies thérapeutiques.
Le coeur est une double pompe qui permet de faire circuler le sang à travers le circuit vasculaire. Le volume sanguin total est réparti en deux circuits : pulmonaire, ou petite circulation, dans lequel pompe le coeur droit, et systémique, ou grande circulation, dans lequel pompe le coeur gauche. Ces deux pompes sont synchronisées par un pacemaker naturel : le noeud sinoatrial qui donne l'ordre de pompage aux deux coeurs à la fréquence cardiaque.
Chacune des deux circulations est à son tour divisée en un compartiment artériel et un compartiment veineux, entre lesquels ont lieu les échanges gazeux au niveau des capillaires pulmonaires ou systémiques. La principale mission du système cardio-vasculaire (SCV) est en effet de fournir en oxygène les tissus de l'organisme et d'éliminer le gaz carbonique qui y est produit par la combustion des nutriments (glucose, notamment).
Cela nécessite, d'une part, un débit cardiaque, d'autre part, un volume sanguin systémique suffisants. Le débit du ventricule gauche et le volume sanguin systémique (et donc le rapport du volume du compartiment systémique sur le volume total, systémique et pulmonaire) sont les grandeurs régulées du système et dépendent de la pression artérielle, seule variable avec la pression veineuse centrale pour laquelle on connaît des capteurs.
La boucle de régulation à court terme de la pression artérielle a été identifiée comme étant l'arc baroréflexe, dans lequel le système nerveux autonome (SNA) est le contrôleur et le barorécepteur artériel le capteur principal. La pompe cardiaque en est l'actionneur principal. Le SNA permet l'adaptation du SCV aux variations rapides de la pression artérielle (exercice physique, passage à l'orthostatisme, mouvements respiratoires) et du volume sanguin systémique.
Les messages nerveux codés en fréquence en provenance des barorécepteurs (artériels, mais aussi veineux) sont transmis aux centres nerveux autonomes du bulbe et de la moelle épinière, d'où partent en retour deux types de voies : parasympathique, cardiomodératrice, à destination du pacemaker naturel du noeud sinoatrial et sympathique, cardioaccélératrice, à destination du noeud sinoatrial, du ventricule, et des résistances vasculaires systémiques. Leur effet à court terme est une variation de la pression artérielle, par modification :
- de la fréquence cardiaque, fréquence du pacemaker (effets chronotropes positif du sympathique et négatif du parasympathique) ;
- de la contractilité, vitesse maximale de raccourcissement des fibres myocardiques (effet inotrope positif sympathique) ;
- des résistances systémiques à l'écoulement du sang dans les artères, les veines, et les capillaires artérioveineux systémiques, résistances dépendant directement du calibre de ces vaisseaux (vasoconstriction sympathique).
De plus, la respiration module les signaux de rythme cardiaque et de pression artérielle :
- par une modification de la pression veineuse de retour due au ``pompage diaphragmatique'' : l'abaissement du diaphragme à l'inspiration agit comme une pompe du secteur abdominal vers le secteur thoracique, et la modification résultante dans la tension des barorécepteurs veineux est transmise aux centres du SNA ;
- par une interaction nerveuse directe entre centres respiratoires et centres du SNA.
Le modèle se compose de deux pompes, coeurs droit et gauche; quatre compartiments sanguins (systémique et pulmonaire, artériel et veineux); un contrôleur central, le SNA. Les modèles de base utilisés sont :
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