Illusions sensorielles en conditions visuelles dégradées

Illusions sensorielles en conditions visuelles dégradées

Anne-Emmanuelle Priot

Résumé

Les illusions sensorielles et les désorientations spatiales en vol sont encore aujourd’hui à l’origine d’accidents et d’incidents graves. La vulnérabilité des pilotes est particulièrement forte lors des phases d’évolution en patrouille serrée IMC, lors des approches finales par temps de brouillard avec un phare d’atterrissage allumé et pour les hélicoptères lors des manœuvres de poser « poussière » et de poser « neige ».

Ce document présente tout d’abord les éléments de physiologie sensorielle et cognition spatiale permettant de comprendre les mécanismes mis en jeu dans l’apparition d’illusions sensorielles lors d’opérations en conditions visuelles dégradées. Sont ensuite abordés les contre-mesures potentielles permettant de maîtriser les risques associées à ces phénomènes.

Introduction

Les situations décrites correspondent à l’exposition des équipages à un environnement visuel dégradé (Degraded Visual Environment ou DVE pour les Anglo-Saxons) : poser poussière, poser neige, ou conditions de vol IMC. Ces conditions d’environnement visuel dégradé comprennent également toutes les conditions de faible visibilité par mauvaises conditions météorologiques (brouillard, précipitation, nuages, fumée), que ce soit de jour ou de nuit, avec ou sans système d’aide à la vision nocturne.

Dans la suite de ce document, le poser poussière en hélicoptère est pris comme exemple de description d'un environnement visuel dégradé, d’une part, car cette situation est connue pour être fortement accidentogène, et d’autre part, car elle a fait l'objet d'études et de réflexions récentes menées par un groupe de travail multidisciplinaire (physiologistes, psychologues, médecins, ingénieurs, pilotes...) qui a été réuni sous l’égide de l’OTAN (RTO-HFM 162 RotaryWing Brownout). Cependant, bien que décrits à partir du cas de la situation de poser poussière sur hélicoptère, les mécanismes perceptifs et cognitifs qui aboutissent à la construction d’une conscience de la situation par les équipages sont très largement similaires et généralisables aux autres aéronefs et conditions visuelles dégradées.

Éléments généraux sur l’orientation spatiale et les informations pertinentes pour l’orientation spatiale lors de l’atterrissage d’un hélicoptère

Les informations nécessaires à l’atterrissage concernent à la fois l’état de l’hélicoptère (p. ex. inclinaison, vitesse et hauteur par rapport au sol, taux de descente, état des systèmes) et celui de la zone d’atterrissage (p. ex. taille, forme, surface, inclinaison, environnement, obstacles, détection des menaces).

a) Rôle primordial des informations visuelles pour l’orientation spatiale

En condition de vol à vue, la principale source d’information disponible pour les pilotes lors d’un atterrissage provient du contact visuel avec l’environnement. Lors de l’approche, les pilotes explorent visuellement la zone d'atterrissage prévue à la recherche de points de référence sur le sol (marquage au sol, pierres, buissons, arbres, barrières, etc.). Hors contrainte opérationnelle, cette reconnaissance visuelle de l’aire de poser est formalisée dans la procédure d’atterrissage.

La perception de l’espace d’origine visuelle fait appel aux mécanismes de l’appréciation des distances ainsi qu’à ceux de l’orientation verticale par rapport à l’environnement. De multiples indices visuels binoculaires et monoculaires sont utilisés pour estimer les distances et hauteurs. Certains indices binoculaires, comme la vergence et l’accommodation, dépendent des paramètres optiques de l’œil. Ils ne nécessitent pas de traitement de l’information et d’apprentissage. A l’inverse, certains éléments monoculaires reposent sur un traitement beaucoup plus élaboré, où l’apprentissage de l’interprétation des formes joue un grand rôle, a fortiori lorsque les images proviennent de capteurs. Pour en citer quelques-uns : effets de perspectives, diminution de la taille angulaire avec la distance, hauteur dans le champ visuel, interposition, ombres. La vision centrale, sensible aux détails fins, est dans ce cas particulièrement impliquée. Une formation et un entraînement progressif et récurrent des équipages sont donc deux moyens de prévention primordiaux, tant pour éviter la survenue d’une illusion perceptive, que pour permettre aux équipages de détecter et de récupérer ces situations avant la survenue de l’accident. Ces deux moyens de prévention seront présentés plus en détails dans la suite de ce document.

Les indices concernant l’orientation spatiale verticale et le mouvement sont essentiellement fournis par de plus larges régions du champ visuel, incluant la vision périphérique (sensible au mouvement et aux détails larges). Ainsi lors d’un atterrissage en condition de bonne visibilité, la vision périphérique fournit des indices d’orientation tels que l’horizon, et le mouvement en facilitant la détection du glissement latéral.

b) Intégration multi-sensorielle et cognition spatiale

D’autres modalités sensorielles contribuent à l’orientation spatiale, comme les systèmes vestibulaires, somato-sensoriel et dans une moindre mesure auditif. Ces informations spatiales sont fusionnées (intégrées) pour assurer l’unité et la cohérence du monde perçu. Elles sont également comparées aux situations déjà vécues : il s’agit du processus de cognition spatiale. Les informations obtenues sont comparées avec le modèle interne du pilotage de l’aéronef que s’est construit le pilote, sur la base de ses expériences passées et de sa formation professionnelle. Il résulte de cette comparaison une estimation de la localisation et de

l'orientation menant à la perception du mouvement de l'aéronef et à l'exécution d'une réponse motrice appropriée pour modifier la dynamique de celui-ci.

c) Conscience de la situation

L’intégration multi-sensorielle ne se limite pas à la construction d’une représentation mentale de la situation à un instant t. Au-delà de la cognition spatiale, ces informations sont à la base de la construction d’une conscience de la situation, qui est définie comme la représentation mentale de la position de son aéronef, de l’évolution des autres acteurs présents dans l’environnement (individus, aéronefs, obstacles,…) et des contraintes de l’environnement, ainsi que la projection de l’ensemble de ces éléments dans un futur proche (prédiction à partir des connaissances et de l’expérience passées). Cette conscience de la situation est individuelle et collective. Elle est à la base des décisions et des actions de l’équipage. Là encore, pour que les équipages puissent élaborer une conscience de la situation adaptée aux environnements visuels dégradés, il est nécessaire qu’ils bénéficient d’une formation professionnelle adaptée et d’entraînements progressifs et récurrents.

Le phénomène de brownout lors du poser poussière

Le brownout est la condition de perte soudaine de visibilité causée par le soulèvement d’un nuage de poussière et de sable par le souffle du rotor lorsqu’un hélicoptère atterrit ou décolle en zone désertique aride. Le nuage de poussière est mis en mouvement par les pales du rotor. La visibilité est soudainement réduite ou éliminée.

Poser poussière avec effet de brownout

La dégradation de la visibilité liée au brownout engendre une perte soudaine des références de guidage visuel (repères au sol pré-identifiés), une mauvaise perception des distances et hauteurs ainsi qu’un masquage de l’horizon. La perception d’éventuels obstacles en mouvement est abolie, ainsi que celle des détails de la surface de la zone d’atterrissage lors de

l’approche finale. Les accidents peuvent donc être liés à la désorientation spatiale ainsi qu’à la collision avec des obstacles statiques ou en mouvement sur la zone d’atterrissage.

Brownout et masquage des repères visuels, statiques et dynamiques

En l’absence d’indices visuels, les faiblesses du système vestibulaire comme système sensoriel d’orientation en vol contribuent à la survenue de désorientation spatiale. Le système vestibulaire se compose des canaux semi-circulaires qui sont responsables de la détection de l’accélération angulaire, et des otolithes qui sont responsables de la détection de l’accélération linéaire, incluant l’inclinaison de la tête. Le système vestibulaire est adapté à la locomotion terrestre mais n’est cependant pas très performant pour l’orientation spatiale en vol. En tant qu’accéléromètre, il est sensible uniquement aux variations de vitesse (accélération) et est incapable de détecter des évolutions à vitesses constantes (p. ex. mouvement circulaire lors de la vrille à mort, dérapage latéral à vitesse constante). De plus, les variations de vitesse ne sont perçues qu’au-dessus d’un certain seuil (p. ex. cas classique de l’illusion infraliminaire). Il a également été montré que les accélérations oscillatoires le long de l’axe z, i.e., les vibrations oscillatoires verticales souvent rencontrées en hélicoptères pouvaient altérer la perception de la vitesse et de la direction du mouvement (Malcolm et Jones 1974).

Trois mécanismes pouvant entraîner une désorientation spatiale lors du brownout sont classiquement rapportés :

1) Des déviations lentes de l’attitude de l’appareil en roulis se produisent souvent avant l’atterrissage. Le phénomène appelé inclinaison infraliminaire apparaît lors d’une inclinaison graduelle à une vitesse inférieure au seuil de détection d’un changement de vitesse angulaire : l’accélération angulaire se produit trop doucement pour que les canaux semi-circulaires soient stimulés. Le pilote n’a alors pas conscience de l’inclinaison latérale progressive. Les seuils perceptifs sont 0.14°.s-² pour une rotation autour de l’axe z et 0.5°.s-² pour une rotation autour de l’axe x ou y (Cheung 2004). Le seuil de détection dépend également de la durée de stimulation. Pour les durées de stimulation inférieures ou égales à 5s, le produit de l’accélération et de la durée de stimulation est constant. Le seuil perceptif en termes de vélocité angulaire est donc égal à 2.5°.s-1 (constante de Mulder). Ces déviations lentes non détectées peuvent s'observer également lors de dérapages latéraux. L'accélération linéaire se produit alors trop faiblement pour que les otolithes soient stimulés (seuil de vitesse linéaire

estimée aux alentours de 0,3 à 0,4 m.s-1 pour une durée de stimulation inférieure ou égale à 5s, avec une grande variabilité intra-individuelle et inter-individuelle).

2) Les déplacements de poussière lors de l’atterrissage peuvent donner au pilote l’impression que l’hélicoptère se met à tourner ou à basculer, alors qu’en réalité l’appareil est stationnaire. Il s’agit du phénomène de vection liée à la stimulation rétinienne (notamment périphérique) par le mouvement uniforme d’un large pan de la scène visuelle (Dichgans et Brandt 1978). Il est lié à des interactions entre systèmes visuel et vestibulaire. La direction du mouvement perçu est contraire à celle du stimulus, i.e., si la poussière ou le sable circule dans le sens des aiguilles d’une montre, ceci peut induire une sensation de mouvement propre dans le sens inverse. La vection peut se produire dans les six degrés de liberté de mouvement du corps : roulis, tangage, lacet (vection circulaire), ainsi que dans le sens de translations linéaires le long de l’axe x, y, ou z (vection linéaire), ou bien selon une combinaison de ces mouvements. 3) En l’absence de références visuelles externes, la décélération peut générer l’impression erronée de piqué. Il s’agit de l’illusion « somatogravique » de piqué. Les otolithes, comme tout autre accéléromètre physique, se conforment au principe d’équivalence d’Einstein : aucun accéléromètre ne peut distinguer les forces gravitaires et les forces inertielles déclenchées par une accélération linéaire. Ainsi en l’absence d’autres informations sensorielles, la direction du champ de pesanteur résultant (l’addition vectorielle des forces de pesanteur et des forces liées à l’accélération de l’avion) peut être prise comme référence de verticalité. Lors de la décélération, la direction de la pesanteur perçue est déviée vers l’avant de l’appareil, avec la sensation d’une bascule du corps en avant.

Lors du brownout, le nuage de poussière obscurcit les repères visuels au moment le plus critique de la séquence d'atterrissage : près du sol. La tolérance aux erreurs est alors faible, avec peu de temps pour les corriger. Un certain nombre de facteurs aggravants peuvent être également décrits. Ces contraintes sont souvent multiples, notamment en conditions opérationnelles. Certaines ne sont pas spécifiques du brownout et sont classiquement décrites comme facilitant tout type de désorientation spatiale ; d’autres sont au contraire des contraintes spécifique au brownout.

Parmi les contraintes non spécifiques, on peut citer par exemple la contrainte thermique (susceptible de dégrader les performances physiques et cognitives), la fatigue, une charge de travail élevée (l’atterrissage est connu pour être une phase de vol associée à une forte charge de travail), des changements inattendus dans le plan de vol (ou la mission), le manque d’expérience et l’utilisation de jumelles de vision nocturne (JVN). Sous JVN, la perception des formes est altérée, du fait de la diminution des contrastes et de la disparition des détails fins, ainsi que de la limitation du champ de vision. Les indices visuels de perception de l’espace qui reposent sur l’interprétation des formes sont alors altérés. C’est le cas par exemple pour les différences d’illumination des objets liées aux zones d’ombres et de lumière, les différences de perspective, l’interposition.

Parmi les contraintes spécifiques au brownout, on retrouve :

- Le vol en formation. Le brownout peut également se produire lors d’un vol en formation par projection de sable fin ou de la poussière en provenance d’un autre

engin. Le nuage de sable fin est très instable et se déplace verticalement et horizontalement suivant la direction du vent.

- L’utilisation de JVN. Sous JVN, les lumières de l’appareil peuvent renforcer les illusions visuelles en illuminant le nuage du brownout. Les pales du rotor et l’interaction avec la poussière peut aussi résulter en de forts effets de scintillement, qui peuvent saturer certaines parties de l’image JVN et réduire la sensibilité (gain) du système.

Effets de scintillement de la poussière mue par les pales du rotor, sous JVN

- La difficulté d’un poser poussière croît avec la densité du nuage soulevé. La pauvreté en repères de la zone de poser rend également plus difficile la prise de références.

Les atterrissages sur neige posent un problème similaire pour les pilotes d’hélicoptère (phénomène de « whiteout »). Lorsque que l’appareil s’approche du sol, les mouvements d’air générés par le rotor soulèvent la neige, laquelle est attirée dans les rotors et mise en recirculation. Ce phénomène de whiteout est aussi communément appelé « « snowball » par l'équipage afin de le distinguer du manque de contraste entre le ciel et la surface de la neige liée à la lumière diffuse par temps nuageux.

Quelles solutions pour prévenir les accidents liés au phénomène de brownout ? Les contre-mesures qui visent à une maîtrise des risques associées au phénomène de brownout, peuvent s’envisager à des niveaux très variés. Certaines de ces contre-mesures relèvent de dispositifs technologiques, d’autres de choix organisationnels et de la définition et du partage des tâches entre membre d’équipage lors de cette phase de vol critique, susceptible d’induire des illusions sensorielles ou des désorientations spatiales.

Nature des contre-mesures potentielles

Parmi les solutions technologiques on peut citer :

 Compréhension de la physique du brownout : développer des modèles aérodynamique et dynamique des particules de poussières

 Atterrissage automatique afin que la visibilité ne soit pas un problème pour les atterrissages sans référence visuelle. Dans le cas d’une utilisation partielle de cette technologie, les problèmes rencontrés par les équipages ne seront que partiellement résolus (uniquement dans les cas de l’utilisation du mode automatique), voire cette solution entraînera une perte de compétence au poser poussière (dans les cas moins fréquents où les équipages devront effectuer la procédure manuellement). L’utilisation exclusive du mode de poser automatique doit quant à elle être évaluée au regard de sa compatibilité avec les contraintes opérationnelles (durée du poser et exposition plus longue des équipages à d’éventuelles menaces), capacité de l’automatisme à couvrir toutes les situations opérationnelles rencontrées.

 Développement des capteurs permettant de voir à travers la poussière, « dust-penetrating » technology et présentation au pilote d’informations visuelles provenant de capteurs visualisant à travers le nuage

 Développement des systèmes permettant de fournir au pilote des informations tactiles, auditives ou visuelles artificielles (symbologie) lui permettant d’atterrir sans indices visuels normaux

 Présentation de l’information visuelle sur des visuels de casque. Les informations de pilotage pertinentes sont constamment disponibles pour le pilote, indépendamment de ses mouvements de tête, réduisant le partage de l’attention entre extérieur et intérieur du cockpit.

 Lois de commande de vol améliorées afin de faciliter le contrôle de l’aéronef (p. ex. dispositif permettant de rendre la situation tolérante aux erreurs consécutives à une conscience de la situation erronée (désorientation spatiale, illusion sensorielle) ou à une situation imprévue (p. ex. action reflexe et de grande amplitude sur les commandes d’un pilote en fonction suite à la rupture d’un manteau neigeux et la bascule de l’hélicoptère vers l’arrière).

Concernant les solutions technologiques, l’IRBA n’a pas les compétences pour se prononcer la pertinence de telle ou telle solutions. Cependant, un groupe d’experts techniques et opérationnels a mené une réflexion sur les différentes options et émis des recommandations (cf. rapport OTAN 2012). Pour chaque technologie potentielle, les capacités, les points forts, les limites, le niveau de maturité du système, les questions d'intégration de systèmes ont été discutées.

Extrait du rapport OTAN Rotary-Wing Brownout Mitigation: Technologies and Training/ chapter 4 Technology : Sensors and data processing

Le niveau de maturité tient compte de deux paramètres : le temps de mise en œuvre de la technologie (< 18 mois, < 5 ans) et l’importance de la contribution au système.

Quelques éléments-clé :

• Les solutions technologiques actuellement proposées paraissent non matures. Il n’existe donc pas de solution technologique disponible directement « sur l’étagère ». • Les technologies « matures » existantes (imagerie thermique, symbologie) sont

d’efficacité encore limitée.

• Les visuels de casque ont un rôle essentiel (symbologie, réduction de la division de l'attention).

• La symbologie actuelle paraît non optimisée pour la tâche d'atterrissage. – Symbologie « basse vitesse » : prometteuse, court terme

– Symbologie « 3D » : prometteuse, en cours d'élaboration • “see-in-the-dust” (“see-through sensor” et “see-and-remember”) :

– Active MMW RADAR, LADAR

– Prometteur, généralement non matures (notamment intégration), moyen terme • Associés aux systèmes de vision synthétique :

– Prometteur, long terme

• Aucune solution envisagée initialement n’est abandonnée

Parmi les solutions qui relèvent du domaine organisationnel, on peut citer :

 Les procédures de poser poussière. La situation de poser-poussière et l’ensemble de celles décrites par l’EMAA/BMR dans sa question ont pour caractéristique d’être des situations aux limites des capacités humaines (forte charge de travail, pression temporelle, complexité, etc.) et des possibilités offertes par la technologie. De telles situations nécessitent un guidage de l’activité par des procédures adaptées, tout en respectant les contraintes liées aux missions opérationnelles. Ces procédures permettent de définir clairement les rôles et les actions que doivent entreprendre les membres d’équipage, en particulier celui ou ceux en charge de la surveillance permanente des informations présentées par les instruments de vol, seules informations fiables en l’absence d’informations visuelles.



Concernant les procédures de poser poussière • Facteurs de variation :

– Type d’appareil (ex : configuration du rotor, centre de gravité) – Équipage (ex : nombre)

– Facteurs environnementaux (ex : luminosité, jour/nuit, taille et pente de la zone d’atterrissage, texture du sable)

– Facteurs opérationnels (ex : niveau de menace, vol en formation) • Importance de la coordination de l’équipage

– Rôle et partage des tâches clairement délimités – Importance d’une phraséologie standardisée

Entraînement et formation : • En simulateur

– Stimulation visuelle :

• Actuellement souvent limitée à l’obscurcissement du champ visuel (effet « tourbillon » parfois)

• Simulation de la vection peu réalisée

• Développement actuel de représentations visuelles plus réalistes – Simulation du mouvement :

• Peu de simulateurs motorisés

• Utile pour l’inclinaison infra-liminaire – Importance de la formation en équipage • En vol

– Difficulté progressive (niveau de nuit, densité de poussière) – Nécessité d’un rafraichissement

Références :

HFM 162 : Rotary-wing brownout mitigation: Technologies and training (2012). RTO Technical Report. NATO Research and Technology Organisation. Téléchargement : https://www.cso.nato.int/pubs/rdp.asp?RDP=RTO-TR-HFM-162

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