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Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse Couplage visuo-haptique en environnement de conduite simulée Soutenance de thèse Jury Pr. Philippe Fuchs, Centre.

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1 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse Couplage visuo-haptique en environnement de conduite simulée Soutenance de thèse Jury Pr. Philippe Fuchs, Centre Robotique Pr. Stéphane Espié, IFSTTAR Pr. Jean-Christophe Popieul, LAMIH Pr. Andras Kemeny, Renault CTS, Le2i Pr. Frédéric Mérienne, Le2i Dr. Franck Mars, IRCCyN

2 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 2 Contexte Thèse CIFRE : Renault, Centre Technique de Simulation (CTS) Ces travaux sinscrivent 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 dune tâche de conduite Dans la panoplie des systèmes daide à la conduite, les interfaces visuelles sont omniprésentes, tandis que les interfaces haptiques sont sous-utilisées (excepté le retour deffort volant)

3 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 3 Problématiques Problématiques scientifiques Pondération et intégration des modalités visuelle et haptique en conduite Détection consciente et inconsciente des perturbations visuo-haptiques Mécanismes dadaptation du système sensorimoteur aux perturbations visuo-haptiques Problématiques industrielles Délais visuels dans les assemblages virtuels Pertinence de la modalité haptique pour lassistance à léco-conduite Gestion du retour deffort dans la démultiplication de la direction du véhicule

4 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 4 Plan Bibliographie Expérimentation 1 : assemblage virtuel Expérimentation 2 : assistance à léco-conduite Expérimentation 3 : démultiplication de la direction Synthèse

5 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 5 Bibliographie

6 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 6 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

7 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 7 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 doblique Cette anisotropie serait due à linfluence de l'effort gravitationnel qui sexerce sur le système épaule-main (Gentaz & Hatwell, 1995, 1996, 1998)

8 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 8 Intégration visuo-haptique Approche statistique Plus la variance des estimations dune modalité (visuelle ou haptique) est grande, plus lautre modalité pèsera dans lintégration visuo-haptique des informations (Ernst & Young, 2002)

9 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 9 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 lorientation de la mesure, tandis que la vision serait plus précise que lhaptique dans le plan frontal, et moins précise pour mesurer la profondeur (Gepshtein & Banks, 2003)

10 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 10 Couplage visuo-haptique en conduite Perception et action des conducteurs Modèle des interactions sensorimotrices impliquées dans une tâche de conduite (Pick & Cole, 2003)

11 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 11 Couplage visuo-haptique en conduite Stratégies dadaptation sensorimotrice Modulation dimpédance 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 lapprentissage, le modèle interne du fonctionnement du véhicule permet de prédire les commandes motrices pour suivre la trajectoire désirée Combinaison de stratégies Lorsquune perturbation du système sensorimoteur intervient, la stratégie dadaptation par modulation dimpédance est privilégiée. La mise à jour du modèle de lenvironnement permet un retour progressif à la stratégie des modèles internes (Morasso & Sanguinetti, 2003 ; Gribble & al, 2003)

12 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 12 Expérimentation 1 : assemblage virtuel

13 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 13 Problématiques Evaluer un seuil de tolérance pour les délais visuels dans les tâches dassemblage virtuel Comprendre les mécanismes qui tendent à compenser les désynchronisations visuo-haptiques Cerner les limites dadaptation du système visuo-haptique aux délais visuels

14 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 14 Contexte Démonstrateur iVIMA Bras à retour deffort 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

15 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 15 Bibliographie Introduction dun 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)

16 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 16 Protocole 5 participants 3 sujets masculins et 2 sujets féminins Tâche Déplacer et orienter le cube pour réaliser lassemblage demandé Essais Phase dentrainement 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

17 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 17 Dispositif expérimental

18 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 18 Résultats

19 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 19 Discussion Pas de dégradation de la performance avant la détection dune 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)

20 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 20 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 dassemblage 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 dassemblage Domination visuelle ou haptique

21 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 21 Expérimentation 2 : assistance à léco-conduite

22 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 22 Problématiques Evaluer lefficacité des règles basiques déco-conduite (sans assistance) Evaluer et comparer lefficacité de léco-conduite avec les assistance visuelle, haptique et visuo-haptique Observer le comportement des conducteur lors de la première utilisation dune pédale à retour deffort, ce qui pourrait paraitre intrusif dans le contrôle du véhicule Utiliser des moyens expérimentaux applicables aux véhicules en série

23 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 23 Contexte déco-conduite Pratique de léco-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 déco-conduite à changement de couleur Assistance pédale haptique Nissan : ECO Pedal © Continental : accelerator force feedback pedal AFFP © Contexte

24 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 24 Bibliographie Compétition attention visuelle : route / affichages daide 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

25 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 25 Protocole Tâche Conduire dans un environnement virtuel urbain, le long dun trajet prédéfini Pas de trafic sur le parcours 28 participants (S n ) None : groupe de contrôle (S v ) Visual : groupe assisté avec interface visuelle (S h ) Haptic : groupe assisté avec interface haptique (S vh ) Visual-haptic : groupe assisté avec interfaces visuelle et haptique Conditions T1 ref : conduire sans instructions particulières T2 eco-behavior : conduire avec linstruction de ne pas dépasser 2000 tr/min T3 eco-assistance : identique à T2 + aide dune assistance à léco-conduite T4 eco-behavior : identique à T2

26 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 26 Dispositif expérimental Simulateur CARDS (CTS) Logiciel simulation SCANeR2 © Cockpit modulaire, instrumenté avec des pièces série Ecran 150° champ de vision horizontal Deux dispositifs dassistance à léco-conduite Une interface visuelle sur la console centrale (jauge) Une pédale daccélérateur couplée à un moteur piloté Ces deux dispositifs fournissent aux conducteurs un retour dinformation corrélé à leur niveau déco-performance

27 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 27 Environnement virtuel

28 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 28 Loi déco-conduite Acc_veh = accélération véhicule Acc_opt = accélération optimale Acc = sur-accélération X pedal = position pédale Acc = Acc_veh – Acc_opt F additionnel = K. X pedal. (Acc / Acc_opt) avec K = facteur raideur pédale

29 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 29 Résultats : consignes déco-conduite F(1.88)= 19,87; p<0.001F(1.88)= 25,85; p<0.001

30 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 30 Résultats : comparaison des conditions assistées T3 eco-assistance (S n vs S v )F(1.88)= 4,42; p<0.05 T3 eco-assistance (S n vs S h )F(1.88)= 6,35; p<0.05 T3 eco-assistance (S n vs S vh )F(1.88)= 7,86; p<0.005 T3 eco-assistance (S n vs S v ) F(1.88)= 4,69; p<0.05 T3 eco-assistance (S n vs S h ) F(1.88)= 5,74; p<0.05 T3 eco-assistance (S n vs S vh )F(1.88)= 7,51; p<0.01

31 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 31 Résultats : éco-comportement vs éco-assistance S v (T2 + T4 vs T3) NS S h (T2 + T4 vs T3) F(1.88)= 12,84; p<0.001 S vh (T2 + T4 vs T3)F(1.88)= 14,23; p<0.001 S v (T2 + T4 vs T3) NS S h (T2 + T4 vs T3) F(1.88)= 6,62; p<0.05 S vh (T2 + T4 vs T3)F(1.88)= 9,38; p<0.005

32 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 32 Discussion Contribution des instructions verbales à léco-performance Réduction significative des émissions polluantes totales de 5% Les accélérations des conducteurs se rapprochent de notre modèle daccélérations optimales Contribution des systèmes daide à léco-conduite Lutilisation des systèmes daide à léco-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 déco-conduite Auto-amélioration de léco-performance Diminution significative du workload dans les essais assistés par la modalité haptique Dans le groupe assisté par la modalité visuelle, cette réduction nest pas significative

33 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 33 Discussion Réaction des conducteurs à lutilisation de la pédale à retour deffort Meilleure efficacité de la pédale à retour deffort sur la stabilité du pied Modification rapide de limpédance 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 (S h et S vh ) Modalité haptique plus adaptée à la tâche déco-conduite

34 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 34 Conclusion et perspectives Efficacité des comportements simples déco-conduite Amélioration apportées par les interfaces dassistance à léco-conduite (visuelle ou haptique) Réduction significative du workload conducteur dans les conditions assistées par la pédale à retour deffort Les conducteurs se fient apparemment plus à la modalité haptique lorsquils 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 dusage

35 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 35 Expérimentation 3 : démultiplication de la direction

36 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 36 Problématiques Adaptation sensorimotrice aux gains visuo-haptiques au volant Optimisation du couple dassistance au volant dans une direction à démultiplication variable

37 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 37 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

38 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 38 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 derreur corrections (Wallis & al, 2007) Adaptation des conducteurs aux perturbations sensorimotrices Modulation dimpédance des bras (Gribble & al, 2003) Mise à jour du modèle interne

39 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 39 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 dexpérience 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 deffort au volant 30 m 2 m

40 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 40 Résultats Conditions initiales Application des gains au volant Gain démultiplication Gain démultiplication & couple volant

41 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 41 Résultats

42 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 42 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

43 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 43 Conclusion et perspectives Préconisation : corréler les gains de démultiplication et de couple volant Retour deffort asservi à laccélération latérale plutôt quà langle volant Adaptation consciente ou inconsciente? Gain démultiplication double adaptation consciente Gain couple : adaptation inconsciente (Toffin & al, 2003) Identifier la limite dadaptation sensorimotrice des conducteurs Direction à démultiplication variable asservie à la vitesse du véhicule

44 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 44 Synthèse

45 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 45 Synthèse Pondération dynamique des indices visuels et haptiques dans lintégration 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 dadaptation aux conflits visuo-haptiques Adaptation aux délais visuo-haptiques Adaptation à la suppression de lune ou lautre des modalités Adaptation aux gains sur lune ou lautre des modalités Dans une certaine limite, ladaptation est inconsciente, puis la perturbation devient consciente à partir dun certain seuil Ladaptation inconsciente est plus efficace que ladaptation consciente

46 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 46 Synthèse Préconisations pour les assemblages virtuels Délai visuel ne dépassant pas 300 ms pour les assemblages virtuels Au delà de ce seuil, la domination dune des deux modalités dépend du contexte expérimental Préconisations pour lassistance à léco-conduite Modalité haptique aussi efficace que le visuel pour lassistance à léco-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 laccélération latérale plutôt quà langle volant Adaptation plus facile (inconsciente) aux gains progressifs Direction à démultiplication variable asservie à la vitesse du véhicule

47 Slim Azzi31 janvier 2012Soutenance de thèse 47 Merci de votre attention !


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