Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse Couplage visuo-haptique en environnement de conduite...
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Slim Azzi 31 janvier 2012 Soutenance de thèse
Couplage visuo-haptique en environnement de conduite simuléeSoutenance de thèse
Jury
Pr. Philippe Fuchs, Centre Robotique Pr. Stéphane Espié, IFSTTARPr. Jean-Christophe Popieul, LAMIHPr. Andras Kemeny, Renault CTS, Le2i Pr. Frédéric Mérienne, Le2iDr. Franck Mars, IRCCyN
2Slim Azzi 31 janvier 2012 Soutenance de thèse
Contexte
Thèse CIFRE : Renault, Centre Technique de Simulation (CTS)
Ces travaux s’inscrivent dans différents projets de recherche, européens et nationaux
Besoin de préserver au mieux la validité écologique de notre étude
Les modalités visuelle et haptique du conducteur sont sollicitées lors d’une tâche de conduite
Dans la panoplie des systèmes d’aide à la conduite, les interfaces visuelles sont omniprésentes, tandis que les interfaces haptiques sont sous-utilisées (excepté le retour d’effort volant)
3Slim Azzi 31 janvier 2012 Soutenance de thèse
Problématiques
Problématiques scientifiques Pondération et intégration des modalités visuelle et haptique en conduite
Détection consciente et inconsciente des perturbations visuo-haptiques
Mécanismes d’adaptation du système sensorimoteur aux perturbations visuo-haptiques
Problématiques industrielles Délais visuels dans les assemblages virtuels
Pertinence de la modalité haptique pour l’assistance à l’éco-conduite
Gestion du retour d’effort dans la démultiplication de la direction du véhicule
4Slim Azzi 31 janvier 2012 Soutenance de thèse
Plan
Bibliographie
Expérimentation 1 : assemblage virtuel
Expérimentation 2 : assistance à l’éco-conduite
Expérimentation 3 : démultiplication de la direction
Synthèse
5Slim Azzi 31 janvier 2012 Soutenance de thèse
Bibliographie
6Slim Azzi 31 janvier 2012 Soutenance de thèse
Modalité visuelle
Perception visuelle Cristallin
Rétine
Nerf optique
Corps genouillé
Cortex visuel
Interprétation de la profondeur Convergence et accommodation (distances courtes < 3m)
Disparité binoculaire (distances moyennes)
Perspective (distances longues)
Parallaxe
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Modalité haptique
Perception haptique Récepteurs cutanés
Corpuscules de Paccini, Ruffini, Meissner, Merkel
Récepteurs musculaires et articulaires Sensibilité à la position (fuseaux neuromusculaires, récepteurs capsulaires de
Ruffini)
Sensibilité au mouvement
Sensibilité à la force (organes de Golgi)
Toucher actif Exploration haptico-proprioceptive des formes
Effet d’oblique Cette anisotropie serait due à l’influence de l'effort gravitationnel qui
s’exerce sur le système épaule-main (Gentaz & Hatwell, 1995, 1996, 1998)
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Intégration visuo-haptique
Approche statistique
Plus la variance des estimations d’une modalité (visuelle ou haptique) est grande, plus l’autre modalité pèsera dans l’intégration visuo-haptique des informations (Ernst & Young, 2002)
9Slim Azzi 31 janvier 2012 Soutenance de thèse
Intégration visuo-haptique
Evolution dynamique de la pondération des informations visuelles et haptiques en fonction des conditions expérimentales
La précision du toucher resterait inchangée quelle que soit l’orientation de la mesure, tandis que la vision serait plus précise que l’haptique dans le plan frontal, et moins précise pour mesurer la profondeur (Gepshtein & Banks, 2003)
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Couplage visuo-haptique en conduite
Perception et action des conducteurs
Modèle des interactions sensorimotrices impliquées dans une tâche de conduite (Pick & Cole, 2003)
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Couplage visuo-haptique en conduite
Stratégies d’adaptation sensorimotrice
Modulation d’impédance Les conducteurs semblent avoir régulièrement recours à la co-contraction des
muscles antagonistes pour raidir les bras lorsqu'ils tournent le volant ou le maintiennent en position (Pick & Cole, 2006, 2007)
Modèles internes
Grâce à l’apprentissage, le modèle interne du fonctionnement du véhicule permet de prédire les commandes motrices pour suivre la trajectoire désirée
Combinaison de stratégies Lorsqu’une perturbation du système sensorimoteur intervient, la stratégie
d’adaptation par modulation d’impédance est privilégiée. La mise à jour du modèle de l’environnement permet un retour progressif à la stratégie des modèles internes (Morasso & Sanguinetti, 2003 ; Gribble & al, 2003)
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Expérimentation 1 : assemblage virtuel
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Problématiques
Evaluer un seuil de tolérance pour les délais visuels dans les tâches d’assemblage virtuel
Comprendre les mécanismes qui tendent à compenser les désynchronisations visuo-haptiques
Cerner les limites d’adaptation du système visuo-haptique aux délais visuels
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Contexte
Démonstrateur iVIMA Bras à retour d’effort 6D Virtuose
Grand écran bi-stéréoscopique Barco
Le calcul en temps réel des 4 images qui composent la vision bi-stéréoscopique du démonstrateur IViMA Temps de calcul important
Besoin de connaitre le seuil de gêne sur les délais visuels
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Bibliographie
Introduction d’un délai visuel ou haptique entraine une dégradation de la performance de pointage (Ferrell & al, 1963, 1966 ; Jergle & al, 2006)
Introduction délai visuo-haptique Domination perceptive de la modalité qui est la plus sollicitée par la tâche réalisée
Tâche basique de pointage : domination visuelle (Jay & Hubbold, 2004)
Tâche complexe de télé-chirurgie : domination haptique (Ottensmeyer & al, 2000)
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Protocole
5 participants 3 sujets masculins et 2 sujets féminins
Tâche Déplacer et orienter le cube pour réaliser l’assemblage demandé
Essais Phase d’entrainement sans délais (Condition référence : 10 essais) Phase expérimentale avec délais (Conditions aléatoires : 10 conditions x 10 essais)
Stimuli 10 délais visuels entre 0 et 500 ms, avec un pas de 50 ms Présentation des délais aléatoire
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Dispositif expérimental
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Résultats
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Discussion
Pas de dégradation de la performance avant la détection d’une gêne
Adaptation inconsciente au délai visuel Dans une certaine limite, nous pouvons tolérer un délai de
désynchronisation entre deux signaux pendant lequel nous les percevons synchronisés (Vogels, 2004)
Détection consciente de la désynchronisation capture visuelle : le visuel étant retardé, la capture visuelle entraine une dégradation rapide de la performance Seuil délai visuel 250 ms saccades des mouvements de la main
(Vercher & al, 1992)
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Conclusion et perspectives
Seuil gêne 300 ms pour les délais visuels
Avant ce seuil, adaptation inconsciente au conflit visuo-haptique
pas de dégradation de la performance
Apres ce seuil, domination de la modalité visuelle
dégradation rapide de la performance
Perspectives : impacts sur les performances d’assemblage Impact des gains visuo-haptiques (Lécuyer & al, 2001)
Impact de la co-localisation dans les assemblages virtuels (Jansson & Öström, 2004 ; Swapp & al, 2006)
Impact de la complexité de la tâche d’assemblage Domination visuelle ou haptique
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Expérimentation 2 : assistance à l’éco-conduite
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Problématiques
Evaluer l’efficacité des règles basiques d’éco-conduite (sans assistance)
Evaluer et comparer l’efficacité de l’éco-conduite avec les assistance visuelle, haptique et visuo-haptique
Observer le comportement des conducteur lors de la première utilisation d’une pédale à retour d’effort, ce qui pourrait paraitre intrusif dans le contrôle du véhicule
Utiliser des moyens expérimentaux applicables aux véhicules en série
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Contexte d’éco-conduite Pratique de l’éco-conduite avec des règles simples
Volonté de réduire les émissions polluantes par tous les acteurs du secteur automobile
Assistance visuelle Affichage numérique de la consommation instantanée
Interfaces visuelles d’éco-conduite à changement de couleur
Assistance pédale haptique Nissan : ECO Pedal©
Continental : accelerator force feedback pedal AFFP©
Contexte
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Bibliographie
Compétition attention visuelle : route / affichages d’aide à la conduite (Recarte & al, 2003 ; Summala & al, 1998)
Suivi de véhicule et limitation de vitesses : la pédale haptique permet une amélioration de la performance et une diminution du workload conducteur (Várhelyi & al, 2004 ; Kuge & al, 2006 ; Mulder & al, 2008)
Les conducteurs utilisent la co-contraction des muscles antagonistes des bras pour contrôler le véhicule (Pick & Cole, 2006, 2007 ; Toffin & al, 2003 ; Abbink & al, 2004)
Malgré leurs différences neuronales et anatomiques, le pied et la main paraissent accomplir leurs fonctions perceptives avec la même facilité (Hajnal & al, 2007)
Un conducteur est capable de réaliser des modifications très rapides de l'impédance du pied, pour s'adapter à la spécificité de la tâche à accomplir (Abbink & al, 2004) Tâche de contrôle en position de la pédale Tâche de contrôle en effort de la pédale
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Protocole
Tâche Conduire dans un environnement virtuel urbain, le long d’un trajet prédéfini
Pas de trafic sur le parcours
28 participants
(Sn) None : groupe de contrôle
(Sv) Visual : groupe assisté avec interface visuelle
(Sh) Haptic : groupe assisté avec interface haptique
(Svh) Visual-haptic : groupe assisté avec interfaces visuelle et haptique
Conditions T1ref : conduire sans instructions particulières
T2eco-behavior : conduire avec l’instruction de ne pas dépasser 2000 tr/min
T3eco-assistance : identique à T2 + aide d’une assistance à l’éco-conduite
T4eco-behavior : identique à T2
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Dispositif expérimental
Simulateur CARDS (CTS)
Logiciel simulation SCANeR2©
Cockpit modulaire, instrumenté avec des pièces série
Ecran 150° champ de vision horizontal
Deux dispositifs d’assistance à l’éco-conduite
Une interface visuelle sur la console centrale (jauge)
Une pédale d’accélérateur couplée à un moteur piloté
Ces deux dispositifs fournissent aux conducteurs un retour d’information corrélé à leur niveau d’éco-performance
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Environnement virtuel
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Loi d’éco-conduite
Acc_veh = accélération véhicule
Acc_opt = accélération optimale
∆Acc = sur-accélération
Xpedal = position pédale
∆Acc = Acc_veh – Acc_opt
Fadditionnel = K . Xpedal . (∆Acc / Acc_opt)
avec K = facteur raideur pédale
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Résultats : consignes d’éco-conduite
F(1.88)= 19,87; p<0.001 F(1.88)= 25,85; p<0.001
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Résultats : comparaison des conditions assistées
T3eco-assistance (Sn vs Sv) F(1.88)= 4,42; p<0.05
T3eco-assistance (Sn vs Sh) F(1.88)= 6,35; p<0.05
T3eco-assistance (Sn vs Svh) F(1.88)= 7,86; p<0.005
T3eco-assistance (Sn vs Sv) F(1.88)= 4,69; p<0.05
T3eco-assistance (Sn vs Sh) F(1.88)= 5,74; p<0.05
T3eco-assistance (Sn vs Svh) F(1.88)= 7,51; p<0.01
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Résultats : éco-comportement vs éco-assistance
Sv (T2 + T4 vs T3) NS
Sh (T2 + T4 vs T3) F(1.88)= 12,84; p<0.001
Svh (T2 + T4 vs T3) F(1.88)= 14,23; p<0.001
Sv (T2 + T4 vs T3) NS
Sh (T2 + T4 vs T3) F(1.88)= 6,62; p<0.05
Svh (T2 + T4 vs T3) F(1.88)= 9,38; p<0.005
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Discussion
Contribution des instructions verbales à l’éco-performance Réduction significative des émissions polluantes totales de 5%
Les accélérations des conducteurs se rapprochent de notre modèle d’accélérations optimales
Contribution des systèmes d’aide à l’éco-conduite L’utilisation des systèmes d’aide à l’éco-conduite permet une réduction
supplémentaire de 5 à 7%, en comparaison aux instructions verbales
La stimulation haptique est aussi efficace que la stimulation visuelle en termes de performances d’éco-conduite
Auto-amélioration de l’éco-performance Diminution significative du workload dans les essais assistés par la modalité haptique
Dans le groupe assisté par la modalité visuelle, cette réduction n’est pas significative
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Discussion
Réaction des conducteurs à l’utilisation de la pédale à retour d’effort
Meilleure efficacité de la pédale à retour d’effort sur la stabilité du pied
Modification rapide de l’impédance du pied des conducteurs Bonne adaptation aux modulations de signaux haptiques
Le raidissement de la pédale semble entrainer une stimulation inhibitoire reflex
Intégration visuo-haptique
Canal visuel saturé Poids de la modalité visuelle chute (Helbig & Ernst, 2008)
Réelle auto-amélioration avec le retour haptique (Sh et Svh)
Modalité haptique plus adaptée à la tâche d’éco-conduite
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Conclusion et perspectives
Efficacité des comportements simples d’éco-conduite
Amélioration apportées par les interfaces d’assistance à l’éco-conduite (visuelle ou haptique)
Réduction significative du workload conducteur dans les conditions assistées par la pédale à retour d’effort
Les conducteurs se fient apparemment plus à la modalité haptique lorsqu’ils ont les deux interfaces à leur disposition
Conditions expérimentales non écologiques : absence de trafic routier Etudes ultérieures : impact du trafic routier et des situations critiques
d’usage
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Expérimentation 3 : démultiplication de la direction
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Problématiques
Adaptation sensorimotrice aux gains visuo-haptiques au volant
Optimisation du couple d’assistance au volant dans une direction à démultiplication variable
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Contexte
Sur la plupart des véhicules actuels, le ratio de démultiplication entre le volant et les roues est de 1/16
Le calculateur alimente le moteur d'assistance du volant en fonction : De l'angle appliqué au volant
Du couple conducteur
De la vitesse du véhicule
Démultiplication variable de la direction en introduisant un gain sur le ratio roues / volant Variable Steering Ratio (VSR) BMW : Active Front Steering (AFS)
Toyota : Variable Gain-Ratio Steering (VGRS)
Audi : Dynamic steering
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Bibliographie
Perception et action du conducteur
Contrôle en boucle ouverte : modèle inverse consigne angle volant (Cunningham & al, 2001)
Modèle interne : anticiper la dynamique du véhicule minimiser les erreurs en boucle ouverte
Contrôle en boucle fermée : retour d’erreur corrections (Wallis & al, 2007)
Adaptation des conducteurs aux perturbations sensorimotrices
Modulation d’impédance des bras (Gribble & al, 2003)
Mise à jour du modèle interne
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Protocole
Tâche : enchainement de 2 x 3 slaloms distincts
5 participants (4 masculins, 1 féminin)
Conduite très sollicitante : dynamique en slalom assez sèche Essais courts et réservés aux habitués des simulateurs dynamiques
Plan d’expérience 1 essai avec condition Sd : 3 premiers slaloms sans gains, 3 derniers slaloms avec
un gain double sur la démultiplication 1 essai avec condition Sd&c : 3 premiers slaloms sans gains, 3 derniers slaloms
avec un gain double corrélé sur la démultiplication et le retour d’effort au volant
30 m
2 m
500 790 1080 1370 1660 1950
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Résultats
Conditions initiales
Application des gains au volant
Gain démultiplicationGain démultiplication & couple volant
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Résultats
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Discussion
Adaptation sensorimotrice aux gains de démultiplication et de couple Adaptation très rapide dans les deux conditions
Gain démultiplication réduction variabilité vitesse rotation volant
Intérêt de la corrélation gains démultiplication et couple non vérifié
Préconisation validée par (Liu & Chang, 1995 ; Chai, 2004)
Adaptation consciente au changement de démultiplication Distorsion brutale (gain double) les conducteurs sont conscient des
changements de paramétrage de la direction (Kagerer & al, 1997)
Adaptation plus facile à un changement de démultiplication progressif
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Conclusion et perspectives
Préconisation : corréler les gains de démultiplication et de couple volant
Retour d’effort asservi à l’accélération latérale plutôt qu’à l’angle volant
Adaptation consciente ou inconsciente? Gain démultiplication double adaptation consciente
Gain couple : adaptation inconsciente (Toffin & al, 2003)
Identifier la limite d’adaptation sensorimotrice des conducteurs
Direction à démultiplication variable asservie à la vitesse du véhicule
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Synthèse
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Synthèse
Pondération dynamique des indices visuels et haptiques dans l’intégration visuo-haptique en fonction de la fiabilité de chaque modalité dans le contexte expérimental
Dans différentes conditions expérimentales, le système visuo-haptique a une grande capacité d’adaptation aux conflits visuo-haptiques Adaptation aux délais visuo-haptiques Adaptation à la suppression de l’une ou l’autre des modalités Adaptation aux gains sur l’une ou l’autre des modalités
Dans une certaine limite, l’adaptation est inconsciente, puis la perturbation devient consciente à partir d’un certain seuil
L’adaptation inconsciente est plus efficace que l’adaptation consciente
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Synthèse
Préconisations pour les assemblages virtuels Délai visuel ne dépassant pas 300 ms pour les assemblages virtuels Au delà de ce seuil, la domination d’une des deux modalités dépend du contexte
expérimental
Préconisations pour l’assistance à l’éco-conduite Modalité haptique aussi efficace que le visuel pour l’assistance à l’éco-conduite Modalité haptique semble être plus fiable et plus efficace pour les conducteurs
Préconisations pour la démultiplication de la direction Corréler les gains de démultiplication et de couple volant assistance au volant
asservie à l’accélération latérale plutôt qu’à l’angle volant Adaptation plus facile (inconsciente) aux gains progressifs
Direction à démultiplication variable asservie à la vitesse du véhicule
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Merci de votre attention !