Les systèmes mécatroniques sont une combinaison coopérative de composantes mécaniques, électroniques, de contrôle et logiciels. Dans les dernières décennies, Ils ont trouvé diverses applications dans l'industrie et la vie quotidienne. En raison de leur aspect multi-physique, du nombre élevé de leurs composantes et des interconnexions dynamiques entre les différents domaines impliqués dans leur fonctionnement, les dispositifs mécatroniques sont souvent considérés comme hautement complexes ce qui rend la tâche de les concevoir très difficile pour les ingénieurs. Cette complexité inhérente a attiré l’attention de la communauté de recherche en conception, en particulier dans le but d’atteindre une conception optimale des systèmes multi-domaines. Ainsi, cette thèse, représente une recherche originale sur le développement d'un paradigme de conception systématique, intégrée et multi-objectifs pour remplacer l'approche de conception séquentielle traditionnelle qui tend à traiter les différents domaines de la mécatronique séparément.

Dans le but d'augmenter l'efficacité, la fiabilité, la facilité de contrôle et sa flexibilité, tout en réduisant la complexité et le coût effectif, ainsi que l'intégration systèmes, cette thèse présente de nouvelles approches pour la conception concurrente et optimale des systèmes mécatroniques aux stades de design conceptuel et détaillé. Les modèles mathématiques et les fondements qui soutiennent cette pensée sont présentés dans cette thèse. Les contributions des travaux de recherche de ce doctorat ont commencé par l'introduction d'un vecteur d'indices appelé le profile mécatronique multicritère (PMM) utilisé pour l'évaluation des concepts lors de la conception des systèmes mécatroniques. Les intégrales floues non linéaires de la théorie de décisions multicritères sont utilisées pour agréger les critères de conception et pour gérer les interactions possibles entre elles. Ensuite, une méthodologie de conception conceptuelle systématique est proposée et formulée.

Le soutien à l'intégration d'outils d’aide à la décision multicritère dans le processus de conception est un autre objectif de cette thèse où un certain nombre de cadres de travail sont proposés pour aider les ingénieurs concepteurs à évaluer l’importance de certains critères et des paramètres d'interaction. Ces cadres de travail ne s'appliquent pas uniquement l'évaluation de la conception et de la conception optimales, mais aussi à la détermination des possibles façons d'améliorer les concepts développés. Des méthodes basées sur l’exploitation de données ainsi que des algorithmes d'optimisation sémantique sont utilisées pour identifier les paramètres flous avec le peu d’information disponibles sur les différents choix de concepts et les préférences des concepteurs.

De plus, une approche multi-objectifs basée sur des approches de logique floue a été entreprise pour proposer et formuler une méthodologie pour le support à la conception détaillée. Un indice unifié d'évaluation de la performance a été introduit par le moyen d’intégrales de Choquet puis optimisé à l'aide d'un algorithme d'optimisation de type « particle swarm ». En utilisant la méthode proposée, tous les critères de conception et les objectifs de diverses disciplines et des soussystèmes d'ingénierie peuvent être intégrés dans un seul indice de performance tout en considérant les interactions et les corrélations entre eux. Cette méthodologie de conception offre un point de vue intégré, concurrent et systématique à la conception mécatronique, qui diffère des approches de conception séquentielles non optimales.

Les méthodologies développées dans cette thèse de doctorat ont été validées, en les appliquant au processus de modélisation et de conception d'un système robotique et aussi un drone quadrotor guidé par la vision. Les deux systèmes sont considérés hautement complexes à concevoir incluant leurs sous-systèmes émanant de différents domaines d’ingénierie interconnectés avec divers objectifs opérationnels. Les résultats obtenus montrent que les méthodologies de conception développées ont produit des systèmes très performants en ce qui a trait à la performance du système et aussi au critère de conception.

Mechatronic systems are a combination of cooperative mechanical, electronics, control and software components. They have found vast applications in industry and everyday life during past decades. Due to their multi-physical aspect, the high number of their components, and the dynamic inter-connections between the different domains involved, mechatronic devices are often considered to be highly complex which makes the design task very tedious and non-trivial. This inherent complexity, has attracted a great deal of attention in the research community, particularly in the context of optimal design of multi-domain systems. To this end, the present thesis represents an original investigation into the development of a systematic, integrated and multi-objective design paradigm to replace the traditional sequential design approach that tends to deal with the different domains separately.

With the aim of increasing efficiency, reliability, controllability and flexibility, while reducing complexity and effective cost, and finally facilitating system integration, this thesis presents new approaches towards concurrent and optimal design of mechatronic systems in conceptual and detailed design stages. The mathematical models and foundations which support this thinking are presented in the thesis. The contributions of our research work start with introducing an index vector called Mechatronic Multi-criteria Profile (MMP) used for concept evaluation in design of mechatronic systems. Nonlinear fuzzy integrals from multicriteria decision theory are utilized to aggregate design criteria and for handling possible interactions among them. Then, a systematic conceptual design methodology is proposed and formulated.

Supporting the incorporation of multicriteria decision making tools into the design process, is another focus of this work where a number of frameworks are proposed to help the designers with assessment of criteria importance and interaction parameters. These frameworks are not only applicable in optimal design and design evaluation procedures, but also for determining possible ways for design improvements. Both data-driven methods as well as semantic-based optimization algorithms are used to identify the fuzzy parameters with limited available information about the design alternatives and designer preferences.

Moreover, a fuzzy-based multi-objective approach has been undertaken for proposing and formulating a detailed design methodology. A unified performance evaluation index is introduced by the means of Choquet integrals and then optimized using a constrained particle swarm optimization (PSO) algorithm. Using the proposed fuzzy-based method, all the design criteria and objectives from various engineering disciplines and subsystems can be integrated in a single performance index while considering the interactions and correlations among them. This design methodology offers an integrated, concurrent, and system-based viewpoint to mechatronic design, which deviates from the non-optimal sequential design approaches.

The methodologies developed in this research are validated by applying them to the modeling and design process of a robotic visual servoing system and also a vision-guided quadrotor drone as highly complex systems which include sub-systems from various interconnected domains with numerous operational objectives. The results show that the design methodologies used, produce systems with high efficiency with regards to both system performance and design criteria.