La simulation de conduite

Presentation 

Le développement des simulateurs de conduite a commencé dans les années 1960, avec le Sensorama (voir figure 4.1). Ce simulateur permettait de visualiser une motocyclette se déplaçant dans les rues de Brooklyn, et proposait déjà une restitution multi-sensorielle : son stéréophonique, image couleur stéréoscopique, odeurs, vent et vibrations. Il ne permettait néanmoins pas la conduite interactive. Avec l’apparition de l’informatique, l’interactivité est apparue et les simulateurs de conduite se sont complexifiés. Si, au départ, l’interactivité se limitait à faire varier la vitesse de défilement d’un film vidéo, les simulateurs d’aujourd’hui permettent de conduire véritablement comme dans un véhicule réel. Les simulateurs de conduite automobile ont bénéficié de l’expérience du développement des simulateurs de vol, plus anciens. Ils répondent néanmoins à une problématique bien distincte, de part les caractéristiques de la tâche de conduite (telles qu’exposées dans le premier chapitre) ainsi que de la dynamique du véhicule, qui diffèrent énormément de celles d’un avion. La technologie de simulation de conduite est aujourd’hui grandement utilisée dans la recherche et l’industrie. Elle permet d’observer le comportement de conducteurs dans une très grande variété de situations, en facilitant les mesures et en garantissant la sécurité des conducteurs. 

Restitution visuelle 

La restitution visuelle dans un simulateur de conduite se fait grâce aux dispositifs d’affichage classiques utilisés en réalité virtuelle (Fuchs et al., 2006) : écrans multi-faces ou cylindriques sur lesquels l’image est projetée à l’aide de vidéoprojecteurs, écrans LCD, ou, plus rarement, casques 45 La simulation de conduite de réalité virtuelle (Coates et al., 2002). En conduite, la vision périphérique joue un rôle essentiel, notamment pour la perception de la vitesse. Le champ de vision horizontal est donc un paramètre majeur à prendre en compte dans la construction d’un simulateur de conduite. Kemeny et Panerai (2003) suggèrent ainsi qu’un minimum de 120° de champ de vision horizontal est nécessaire. Un champ de vision supérieur est souvent utilisé, pour une meilleure immersion. 

Restitution haptique

Afin de recréer le ressenti des commandes d’un véhicule réel, les simulateurs embarquent généralement des moteurs capables de restituer un couple d’effort au niveau des pédales et du volant. Pour le volant en particulier, le logiciel doit intégrer un modèle de retour d’effort dépendant de l’angle volant (Toffin et al., 2007), afin de recréer artificiellement la résistance du volant (voir 2.1.3). Bertollini et Hogan (1999) ont également montré que les conducteurs préféraient un retour d’effort qui augmente avec la vitesse. 

Interface

Pour les simulateurs de conduite les plus simples, le contrôle du véhicule peut se faire avec un simple volant de type jeu vidéo. Dans les simulateurs plus avancés en revanche, la cabine intègre une véritable planche de bord de véhicule et même parfois un véhicule réel, pour un réalisme accru. 

Restitution de mouvements

Certains simulateurs proposent une restitution de mouvements, ou restitution inertielle. Ils sont appelés simulateurs dynamiques (par opposition aux simulateurs statiques ne restituant aucun mouvement). Pour cela, ils utilisent une plateforme mécanique dite de Gough-Stewart (voir figure 4.2). Ces plateformes relient un plateau mobile, la nacelle, à un plateau fixe, la base, par l’intermédiaire de vérins. Ces vérins permettent le déplacement ainsi que la rotation de la cabine selon les trois directions et les trois rotations de l’espace. On parle ainsi de plateforme à six degrés de liberté, ou hexapode.. Afin de compenser le faible débattement des plateformes, la restitution inertielle sur les simulateurs utilise la technique de tilt coordination, ou récupération de gravité. Elle consiste à mettre à profit l’ambiguïté sensorielle des organes otolithiques confondant une accélération linéaire et une orientation (voir 2.1.2). Pour cela, la plateforme est inclinée afin qu’une composante de la gravité soit interprétée par les organes otolithiques comme une accélération linéaire, et provoque ainsi l’illusion du mouvement du véhicule. Sur certains simulateurs, la base de la plateforme est également fixée sur un système de rails se déplaçant longitudinalement et/ou latéralement, afin de restituer des déplacements de plus grande amplitude. 

Logiciel 

La partie logicielle des simulateurs de conduite est complexe et comprend de nombreux modules, dont les principaux sont les suivants : – Superviseur. Ce module permet, depuis le poste de commande, de lancer la simulation, l’arrêter, ainsi que surveiller son déroulement. – Restitution visuelle. Ce module gère l’affichage 3D de la scène visuelle. – Restitution sonore. Ce module gère la restitution sonore de l’environnement, et intègre un modèle pour simuler le bruit du moteur. – Gestion de trafic. Ce module génère les véhicules du trafic et intègre un modèle de comportement pour les déplacer de façon autonome. – Gestion des scénarios. Ce module permet de créer et exécuter des scénarios, permettant le déclenchement d’évènements spécifiques pendant la simulation. – Enregistreur. Ce module permet d’enregistrer les données de la conduite (vitesse du véhicule, angle au volant, etc) en vue de son analyse ultérieure. – Acquisitions. Ce module gère la communication avec le matériel embarqué dans le simulateur. Son rôle est de recevoir les informations du poste de conduite (angle volant, enfoncement des pédales, rapport de boîte de vitesse, état des clignotants, etc) aussi bien que d’en envoyer pour leur affichage sur le tableau de bord (vitesse, état des systèmes d’aide à la conduite, etc). – Modèle dynamique. Ce module intègre un modèle de comportement de véhicule, et permet de simuler sa réponse en fonction des actions du conducteur. Ce module intègre également un modèle de retour d’effort volant, ainsi que certains systèmes d’aide à la conduite comme l’ESP. – Contrôle commande (ou motion cueing). Pour les simulateurs dynamiques, ce module permet de piloter les mouvements de la plateforme et/ou des rails, en fonction du comportement du véhicule simulé (Dagdelen, 2005). Ce module est également accompagné d’un programme de sécurité permettant d’interrompre la simulation en cas de déverrouillage d’un équipement de sécurité (passerelle d’accès, portillon, ceinture de sécurité, etc). Ces différents modules sont gérés par un logiciel de simulation. Nous pouvons citer entre autres le logiciel SCANeR© distribué par la société Oktal, Sherpa développé par PSA, Vires développé par VIRES Simulationstechnologie GmbH, ou encore le logiciel open-source OpenSD2S (Filliard et al., 2010). Ces logiciels intègrent généralement plusieurs des modules pré-cités, mais peuvent également communiquer avec des modules tiers. En effet, des modules externes sont souvent utilisés, notamment pour le modèle dynamique (comme LMS AMESim, CarMaker, ou MADA de Renault) ou la restitution sonore (comme Genesis). Les acquisitions et le contrôle commande nécessitent également un développement spécifique, en raison de leur dépendance au matériel utilisé.