Essais normalisés pour identifier les sensations de conduite de véhicules hors route

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UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE

Faculté de génie

Département de génie mécanique

ESSAIS NORMALISÉS POUR IDENTIFIER

LES SENSATIONS DE CONDUITE DE

VÉHICULES HORS ROUTE

Mémoire de maîtrise

Spécialité : génie mécanique

Bryan MCKENZIE

Jury : Martin BROUILLETTE ing. Ph.D. (directeur)

Christian Hébert Ph.D.

Alexis LUSSIER-DESBIENS ing.jr. Ph.D. (rapporteur)

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RÉSUMÉ

Le système de direction assistée d'un véhicule doit optimiser les sensations de conduite de l'utilisateur, assurer la stabilité du véhicule et minimiser la consommation d'énergie. L'optimisation des sensations de conduite est un enjeu important, car les utilisateurs s'attendent à une expérience agréable, particulièrement pour de petits véhicules hors route qui sont utilisés à des ns récréatives.

La sécurité, le confort et l'agilité perçus sont les sensations dominantes qui contribuent à l'expérience de conduite. Cependant, il est long et coûteux d'évaluer les sensations à l'aide de pilotes d'essai. En plus, cette technique est subjective, donc elle dépend de la qualité et les préférences du ou des pilotes. L'objectif du projet est de développer une série d'essais répétables qui serait en mesure de prédire les sensations éprouvées par un conducteur en analysant les données recueillies lors d'un essai eectué avec un véhicule robotisé.

Des séries d'essais subjectifs et objectifs ont été adaptées à partir des essais normalisés conçus pour caractériser des automobiles. Lors des essais subjectifs, des pilotes issus de la population générale ont complété un parcours et ont dû remplir un questionnaire d'éva-luation de l'expérience de conduite. Les essais objectifs ont été réalisés avec un robot de conduite qui impose des consignes normalisées au véhicule. Les données objectives et subjectives ont été analysées à l'aide de la régression linéaire (multivariables et de crête). Les essais objectifs qui montrent la plus grande corrélation avec les résultats des essais subjectifs ont été conservés.

Ce projet de recherche a identié un système de quatre équations qui prédit chacune une sensation technique de conduite. Les trois variables dépendantes qui constituent chaque équation du système sont le produit d'un coecient et d'une mesure objective issue d'un essai normalisé.

Le projet a adapté les données et techniques disponibles dans la littérature à des véhicules hors route de petite taille. La série d'essais nale pourra être utilisée pour estimer les sensations de conduite plus rapidement et plus tôt dans le développement d'un système de direction assistée en utilisant des essais répétables.

Mots-clés : direction assistée, sensations de conduite, essais objectifs-subjectifs

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REMERCIEMENTS

La réalisation de ce mémoire a nécessité l'appui et la contribution de plusieurs personnes. Je veux prendre le temps de leur témoigner ma reconnaissance.

Premièrement, je tiens à remercier mon directeur de mémoire, M. Martin Brouillette, professeur à l'Université de Sherbrooke. Il m'a guidé tout au long de mon cheminement au deuxième cycle et a sans relâche partagé ses connaissances et son expérience. Son ouverture d'esprit face à un projet d'ingénierie non conventionnel a été remarquable et ses interventions, toujours franches et pragmatiques, ont su orienter mon projet de recherche positivement. Il s'est également montré patient et compréhensif lorsqu'un évènement a causé un fort délai lors de la rédaction et pour cela je lui exprime mon entière gratitude. Je tiens aussi à remercier M. Christian Hébert. Son soutien, ses conseils et son honnêteté lors de la dénition du projet de recherche m'ont été d'une valeur inestimable. Nos nom-breuses discussions de corridor ainsi que les périodes d'enseignement et de développement formelles ont indéniablement contribué à mon développement et à la réussite de ce projet. Je témoigne aussi ma reconnaissance envers le partenaire industriel qui a soutenu ce mé-moire, Kongsberg Automotive. Finalement, je remercie mes deux lles, Alyssa et Liliane, ainsi que ma conjointe Martine : je n'aurais sans doute jamais pu terminer ce mémoire sans leur appui inébranlable et l'aide constante qu'elles m'ont fournie. Une mention toute spéciale pour Martine qui a relu mon mémoire et corrigé certaines déciences.

Je présente à toutes ces personnes mes remerciements et ma gratitude.

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TABLE DES MATIÈRES

1 INTRODUCTION 1

1.1 Motivation . . . 1

1.2 Histoire des directions assistées . . . 2

1.3 Le marché des directions assistées des véhicules hors route . . . 3

1.4 Le système de direction assistée vue comme un problème d'ingénierie . . . 4

1.4.1 Développement d'un système de direction . . . 4

1.5 Dénition de la subjectivité et de l'objectivité de la manipulation du véhicule 5 1.6 Contributions originales . . . 6

1.7 Plan du document . . . 6

1.8 Conventions utilisées . . . 7

2 ÉTAT DE L'ART 9 2.1 Données provenant du partenaire industriel . . . 9

2.2 Données disponibles dans la littérature . . . 10

2.3 Résumé des données disponibles . . . 20

3 CONCEPTION, COLLECTE ET TRAITEMENT DES DONNÉES 23 3.1 Structure de ce projet de recherche . . . 23

3.2 Hypothèses . . . 24

3.2.1 Système de contrôle d'un véhicule . . . 24

3.2.2 Perturbations des mesures . . . 26

3.2.3 Réalisme de essais . . . 26

3.2.4 Distribution normale des sensations de conduite . . . 27

3.3 Remarques concernant le projet de recherche et ce document . . . 28

3.3.1 Limitations concernant les essais . . . 28

3.3.2 Limitations concernant le recrutement des participants . . . 28

3.3.3 Véhicule d'essai . . . 29

3.3.4 Absence de données sur les valeurs des congurations utilisées pour le système de direction assistée . . . 29

3.3.5 Simulateur de conduite . . . 29

3.4 Conception des essais subjectifs . . . 30

3.4.1 Dresser une liste des sensations de conduite . . . 30

3.4.2 Dresser une liste de sensations techniques évaluables . . . 31

3.4.3 Relier les sensations techniques à des essais réalisables . . . 34

3.4.4 Conception d'essais faisant ressortir les sensations techniques dans diérentes conditions . . . 36

3.4.5 Conception d'un questionnaire d'évaluation des sensations de conduite 37 3.5 Collecte et traitement des données subjectifs des sensations de conduite . . 41

3.5.1 Réalisation des essais subjectifs avec les participants . . . 41

3.5.2 Transformation des résultats du questionnaire à une échelle qui se prête à l'analyse statistique . . . 43

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3.5.3 Utilisation de l'analyse de la variance (ANOVA) pour éliminer des

questions . . . 46

3.5.4 Utilisation de la corrélation pour éliminer des questions qui ont des liens linéaires entre elles . . . 46

3.6 Conception des essais objectifs . . . 48

3.6.1 Dénir les essais normalisés objectives . . . 48

3.6.2 Établir les données à collecter . . . 53

3.6.3 Instrumenter les véhicules pour collecter les données nécessaires . . 54

3.6.4 Concevoir et implanter un robot de conduite . . . 57

3.7 Collecte et traitement des données objectives de la dynamique d'un véhicule 62 3.7.1 Réalisation des essais objectifs avec le robot de conduite . . . 62

3.7.2 Essais . . . 63

3.7.3 Utilisation de l'analyse de la variance (ANOVA) pour réduire le nombre de mesures objectives par paramètre (MO/P) . . . 64

3.7.4 Utilisation du facteur d'ination de la variance (VIF) sur chaque MO/P pour éliminer les éléments qui sont linéairement dépendants 64 3.8 Régression et création d'un modèle . . . 66

3.8.1 Création d'un modèle avec la régression linéaire multi-variable . . . 66

3.8.2 Régression par crête . . . 67

3.8.3 Création d'un nouveau modèle modèle avec la régression linéaire multi-variable . . . 68

4 ANALYSE ET RÉSULTATS 71 4.1 Transformation et résultats de données subjectives d'utilisateurs de véhicule hors route . . . 71

4.2 Données objectives de la dynamique d'un véhicule . . . 73

4.2.1 Manipulation de données et résultats . . . 73

4.3 Régression et création d'un modèle . . . 75

5 DISCUSSION 89 5.1 Essais subjectives d'utilisateurs de véhicule hors route . . . 89

5.1.1 Participants . . . 89

5.1.2 Questionnaire . . . 90

5.1.3 Déroulement des essais subjectifs . . . 90

5.1.4 Résultats des essais subjectifs . . . 91

5.1.5 Ordre des essais et segmentation des phases . . . 92

5.1.6 Première impression . . . 93

5.2 Essais objectifs de la dynamique d'un véhicule . . . 94

5.3 Régression et création d'un modèle . . . 95

5.3.1 Nombre de congurations . . . 97

5.3.2 Comparaisons avec l'état de l'art . . . 97

6 CONCLUSION 101

(13)

TABLE DES MATIÈRES vii

B Formulaire de Consentement 107

C ISO 4138 8,5 Constant Steering Wheel Angle 113

C.1 Description . . . 113

C.2 Modication . . . 113

C.3 Paramètres de l'essais . . . 114

C.4 Nombre d'essai . . . 114

C.5 Mesures objectives (MO) calculé . . . 114

C.6 Éléments de la dynamique qui sont enregistrés . . . 115

C.7 Graphiques . . . 116

D ISO7401 10 Step input 117 D.1 Description . . . 117

D.2 Modication . . . 117

D.3 Paramètres de l'essais . . . 117

D.4 Nombre d'essai . . . 118

D.5 Mesures objectives (MO) calculé . . . 118

D.6 Éléments de la dynamique qui sont enregistré . . . 118

D.7 Graphiques . . . 119

E ISO7401 11 Single Sine input 121 E.1 Description . . . 121

E.2 Modication . . . 121

E.3 Paramètres de l'essais . . . 121

E.4 Nombre d'essai . . . 122

E.5 Mesures objectives (MO) calculé . . . 122

E.6 Éléments de la dynamique qui sont enregistré . . . 122

E.7 Graphiques . . . 123

F ISO7401 14 Continuous Sine input 125 F.1 Description . . . 125

F.2 Modication . . . 125

F.3 Paramètres de l'essais . . . 125

F.4 Nombre d'essai . . . 126

F.5 Mesures objectives (MO) calculé . . . 126

F.6 Éléments de la dynamique qui sont enregistré . . . 126

F.7 Graphiques . . . 127

G ISO13674 1 Weave Test 129 G.1 Description . . . 129

G.2 Modication . . . 129

G.3 Paramètres de l'essais . . . 130

G.4 Nombre d'essai . . . 130

G.5 Mesures objectives (MO) calculé . . . 130

G.6 Éléments de la dynamique qui sont enregistré . . . 131

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H ISO13674 2 Transition Test 133

H.1 Description . . . 133

H.2 Modication . . . 133

H.3 Paramètres de l'essais . . . 134

H.4 Nombre d'essai . . . 134

H.5 Mesures objectives (MO) calculé . . . 135

H.6 Éléments de la dynamique qui sont enregistré . . . 136

H.7 Graphiques . . . 136

I DONNÉES 137 I.1 Données du questionnaire . . . 137

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LISTE DES FIGURES

1.1 Système de Coordonnées d'une véhicule selon ISO-8855-2011 [21] . . . 8

2.1 Schéma bloc de corrélation de l'étude de Chen [9] . . . 13

2.2 Schéma Bloc de la structure de l'étude de Harrer [14] . . . 14

2.3 Bassin Final Rothhämel et Al.[33] . . . 18

3.1 Schéma bloc du projet . . . 24

3.2 Boucle de contrôle fermée du conducteur[14] . . . 25

3.3 Altérations des données collectées . . . 26

3.4 Hiérarchie des sensations techniques, amalgame des éléments venant de [14], [28] et [9] adaptés pour cet étude . . . 33

3.5 Cheminement entre les sensations d'un conducteur et l'évaluation d'un ques-tionnaire . . . 38

3.6 Questionnaire . . . 42

3.7 Évaluation Subjective (MS) participant 2 . . . 44

3.8 Évaluation subjective combinée (EC) B . . . 45

3.9 Prole Générique ISO 4138: 2012-8.5 . . . 49

3.10 Prole Générique ISO 7401: 2011-10 . . . 50

3.15 Schéma bloc du système d'acquisition . . . 57

3.16 Unité d'acquisition avec sa source de puissance et module de communication Ethernet . . . 57

3.17 Schéma bloc du robot de conduite . . . 59

3.18 Robot de conduite . . . 59

3.19 Traducteur de couple et joint universel . . . 61

3.20 Interface du programme LabVIEW . . . 62

4.1 Évaluation subjective combinée modiée (ECM) A . . . 72

4.2 Évaluation subjective combinée modiée (ECM) B . . . 73

4.3 Évaluation subjective combinée modiée (ECM) C . . . 74

4.4 Graphique de crête question 3 . . . 76

5.1 Comparaison des courbes normales . . . 99

C.1 Position de la colonne de direction du véhicule ISO 4138 8,5 . . . 113

C.2 ISO 4138 8.5 22 km/h 180 deg B . . . 116 ix

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D.1 Position de la colonne de direction du véhicule ISO 4701-10 . . . 117

D.2 ISO 7401-10 22 km/h 180 deg B . . . 119

E.1 Position de la colonne de direction du véhicule ISO 7401-11 . . . 121

E.2 ISO 7401-11 22 km/h 180 0.6 Hz deg B . . . 123

F.1 Position de la colonne de direction du véhicule ISO 7401-14 . . . 125

F.2 ISO 7401-14 22 km/h 0.5Hz 180 deg B . . . 127

G.1 Position de la colonne de direction du véhicule ISO 13674-1 . . . 129

G.2 ISO 13674-1 22 km/h 0.5Hz 180 deg B . . . 131

H.1 Position de la colonne de direction du véhicule ISO 13674-2 . . . 133

H.2 ISO 13674-2 22 km/h 180 deg B . . . 136

I.1 Données participant 1 . . . 137

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LISTE DES TABLEAUX

1.1 Dénition des termes de la dynamiques d'un véhicule [21] . . . 8

2.1 Essai objectifs de l'étude de Chen [9] . . . 11

2.2 Conclusion des mesure subjectives de l'étude de Harrer [14] . . . 15

2.3 Traduction de Bassin Final Rothhämel et Al. [33] . . . 19

3.1 Description des sensations techniques de niveau quatre et cinq . . . 34

3.2 Liste des capteurs dans le robot de conduite . . . 55

3.3 Système d'acquisition eDAClite . . . 56

3.4 Éléments du robot de conduite des gures 3.18 et 3.19 . . . 60

3.5 Tableau de tous les MO . . . 70

4.1 Tableau des valeurs d'ANOVA ECM et d'ANOVA ordre des essais . . . 79

4.2 Corrélation Pearson A, B et C simultanément . . . 80

4.3 Corrélation Pearson conguration A . . . 81

4.4 Corrélation Pearson conguration B . . . 82

4.5 Corrélation Pearson conguration C . . . 83

4.6 Corrélation Pearson 2 de 3 . . . 84

4.7 MO restants après ANOVA initial . . . 85

4.8 ANOVA MO . . . 86

4.9 Liste des MO pour régression nale . . . 87

4.10 Valeurs du système nal . . . 88

C.1 Liste des MO pour la norme ISO 4138- 8.5 . . . 114

C.2 Liste des métriques pour la norme ISO 4138- 8.5 . . . 115

D.1 Liste des MO pour la norme ISO 7401-10 . . . 118

D.2 Liste des métriques pour la norme ISO 7401-10 . . . 118

E.1 Liste des MO pour la norme ISO 7401-11 . . . 122

E.2 Liste des métriques pour la norme ISO 7401-11 . . . 122

F.1 Liste des MO pour la norme ISO 7401-14 . . . 126

F.2 Liste des métriques pour la norme ISO 7401-14 . . . 126

G.1 Liste des MO pour la norme ISO 7401-10 . . . 130

G.2 Liste des métriques pour la norme ISO 7401-10 . . . 131

H.1 Liste des MO pour la norme ISO 7401-10 . . . 135

H.2 Liste des métriques pour la norme ISO 7401-10 . . . 136

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LISTE DES ACRONYMES

Acronyme Dénition

OIQ Ordre des ingénieurs du Québec

UdeS Université de Sherbrooke

N/A Non-applicable

ISO Organisation International de Standardisation

SAE Société d'Ingénierie de l'Automobile (Society for Automotive Engineering)

CAN Bus de données (Controller Area Network)

ECU Module de contrôle électronique

VCC Véhicule côte-à-côte

VTT Véhicule tout terrain

CVT Transmission Continuellement Variable (Continouesly Variable Transmission)

MO Mesures objectives

MO/P Mesures objectives par paramètre

MS Mesures subjectives ou Évaluations subjectives

EC Évaluation subjective combinée

ECM Évaluation subjective combinée et modiée

ED Évaluation directionnelle

EA Évaluation de l'appréciation

VIF Facteur d'ination de la variance (Varience Ination Factor)

ANOVA Analyse de la varience

IMU Centrale inertielle

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CHAPITRE 1

INTRODUCTION

1.1 Motivation

Depuis plusieurs années, la compagnie Kongsberg inc.1 _{produit des systèmes de direction}

assistée qui sont utilisés dans plusieurs véhicules légers hors route tels les véhicules tout terrain (VTT) et les véhicules côte-à-côte (VCC). L'entreprise a commercialisé plusieurs produits qui ont connu du succès commercial. Bien que les produits soient généralement appréciés des utilisateurs, certains aspects de l'interaction humain-machine ne sont pas totalement compris par l'entreprise. Les limites de temps et d'argent disponible lors du développement d'un produit font que ces lacunes de compréhension demeurent.

L'entreprise utilise une courte série d'essais pour eectuer la calibration de leurs nou-veaux produits. L'équipe réalise généralement une série d'essais subjectifs pour calibrer les nouveaux produits. Cette technique est ecace, mais n'est pas eciente. De plus, il est dicile de reproduire les essais, car ils sont tous faits par des humains. Ce manque de répétabilité rend les comparaisons des diérents résultats diciles, car les consignes appliquées au véhicule par example, le couple à la colonne de direction, varient d'un essai à l'autre.

Actuellement, les essais utilisés se ent uniquement aux perceptions de quelques conduc-teurs qui font des essais subjectifs avec des véhicules dans des parcours quelconques. Cette situation est hautement subjective et se base sur la qualité des évaluateurs pour arriver à des résultats pertinents. Il y a certaines sensations de conduites qui ont été étudiées ainsi que certains comportements des véhicules dans ces situations, mais la majorité des aspects sont ajustés par essai et erreur. Le partenaire industriel veut savoir s'il est possible de prédire les sensations de conduite sans toujours avoir recours à une multitudes d'essais avec plusieurs conducteurs.

Ce projet propose de développer une série d'essais objectifs et répétables pour prédire les sensations de conduite d'un utilisateur.

1_{Kongsberg ince. est la liale canadienne de la société Kongsberg Automotive ASA.}

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1.2 Histoire des directions assistées

Les systèmes de direction assistée sont habituellement situés entre le volant ou le guidon et le système de transfert mécanique (crémaillère ou bras Pittman) qui oriente les roues. Historiquement, les directions assistées avaient comme seul but de diminuer l'eort que le conducteur devait déployer pour orienter les roues. Les premières applications pratiques furent dans des camions au début du 20e siècle, puisque la direction devenait très dicile à utiliser lorsque le camion était chargé et qu'il fallait manoeuvrer à basse vitesse [35]. Plusieurs systèmes de direction assistée furent implémentés dans des camions et chars d'assaut durant la Seconde Guerre mondiale avec comme objectif de faciliter l'utilisation des véhicules. La première apparition dans les automobiles fut en 1951 dans la Chrysler Imperial [25]. Après l'introduction du premier système, l'industrie automobile a très ra-pidement compris l'avantage concurrentiel et déjà en 1956 plus du quart des automobiles américaines étaient équipées de tels systèmes [35].

La prochaine innovation dans les directions de véhicule est venue au début des années 1970. Elle consistait à rendre l'assistance (couple fourni par l'actuateur) dépendant de la vitesse à laquelle roule le véhicule. Comme l'eort requis pour tourner les roues est plus grand et que les manoeuvres sont habituellement plus prononcées à basse vitesse, une grande assistance est apportée à cette vitesse. Avec un véhicule qui roule plus vite, l'eort requis pour tourner les roues est moindre ainsi que l'amplitude, donc une assistance plus petite est susante. De plus, les conducteurs semblent préférer une direction de véhicule plus raide à plus haute vitesse, car cela donne l'impression de stabilité latérale [35]. Avec cette innovation, les fabricants ont rapidement découvert qu'ajuster les paramètres des systèmes de directions assistées pouvait aecter les sensations de conduites.

Le développement des systèmes de direction assistée a suivi le développement global des véhicules au cours des dernières décennies. L'ajout de contrôle informatique sophistiqué, l'ajout de motorisation plus rapide et l'arrivée de plusieurs transducteurs précis et bon marché ont permis aux concepteurs de modier l'interaction entre l'utilisateur, le module d'assistance et les roues (perception de la route road feel en anglais). L'interaction entre l'utilisateur et le véhicule est particulièrement importante, car elle dicte la réussite com-merciale, sans égard du gain fonctionnel réel, d'un produit comme une direction assistée [35]. Donc toute modication de comportement d'un module qui interagit avec l'humain doit se faire graduellement et, pour un certain temps, doit imiter les sensations que pro-duisait l'ancien système. Il existe plusieurs exemples ou un changement de technologie n'a pas été un succès, car la perception de cette technologie par le grand public n'était

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1.3. LE MARCHÉ DES DIRECTIONS ASSISTÉES DES VÉHICULES HORS ROUTE3 pas positive. Le cas particulier de la transmission à variation continue (CVT) est décrit ci-dessous.

L'acceptation des systèmes de CVT est un exemple marqué de ce phénomène [38] [37]. Bien que ces systèmes de transmission soient en général plus ecaces que des transmis-sions automatiques conventionnelles, leur pénétration dans le marché est très limitée. Leur réputation d'être ennuyante à conduire vient, en partie, du fait que le bruit du moteur n'est pas directement lié à l'accélération ou à la vitesse [38]. La plupart des utilisateurs ne sont pas habitués à ce phénomène et ne l'apprécient guère, bien que les transmissions CVT soient moins chères, plus économiques en carburant, prolongent la vie des autres compo-sants de moteur et sont plus performantes [37]. Ce phénomène est connu de l'industrie et plusieurs artices et modications ont été créés par les constructeurs pour masquer des changements de sensations qui viennent avec cette nouvelle technologie. Plusieurs trans-missions CVT imitent maintenant les rapports de transmission automatique malgré une légère baisse d'ecience globale du système [38].

Les sensations de conduite sont très importantes pour assurer la compétitivité d'un véhi-cule [37]. La compréhension des mécanismes qui aectent les perceptions et les sensations de conduite doivent être bien comprises par les fabricants des systèmes qui sont destinées à inuencer la dynamique de direction. Le fabricant peut optimiser plus rapidement et à plus faible coût les systèmes de direction assistée avec une compréhension plus complète. Des essais rapides et répétables qui sont en mesure d'identier quelles seront les sensa-tions d'un utilisateur sont très désirables. Ces essais sont utilisables pour des véhicules spéciques et permettre de rapidement identier une stratégie de développement réaliste.

1.3 Le marché des directions assistées des véhicules

hors route

Le marché des véhicules hors route tend vers des véhicules qui maximisent l'agrément de conduite pour le conducteur [24]. L'ensemble des systèmes intégré aux petits véhicules n'y fait pas exception. Plusieurs véhicules sont destinés à un marché complètement récréatif, donc l'utilisateur cherche un produit qui procure des sensations agréables avant tout. Par conséquent, une grande pression vient de l'industrie pour que les directions assistées se comportent adéquatement en fonction du type de conduite attendues par l'usager. Il est évident que les systèmes de direction assistée sont devenus complexes et que leur conception doit être basée sur une connaissance approfondie des conditions d'utilisation

(24)

et des attentes des utilisateurs. C'est l'acquisition, la compréhension et l'implémentation de cette connaissance qui peut faire qu'un produit est plus attrayant qu'un autre.

1.4 Le système de direction assistée vue comme un

problème d'ingénierie

1.4.1 Développement d'un système de direction

Le développement des caractéristiques de conduite d'un système de direction assistée se fait habituellement de trois façons [14].

La première, qui est actuellement fortement utilisée par l'équipe de conception du par-tenaire industriel, est celle de l'évaluation subjective par un membre de l'équipe dans un véhicule réel sur une piste. C'est la façon classique de développer des systèmes qui interagissent avec l'humain, par essai et erreur.

La deuxième est de faire une série d'essais, dans de vrais véhicules ou sur des montages expérimentaux, balisés. Ces essais se font par des robots automatisés ou des opérateurs qui contrôlent les mouvements. Des mesures sont prises pour tenter de prévoir le comportement routier réel du véhicule à partir de ces données. La deuxième technique est utilisée par l'équipe de conception, surtout pour mesurer les temps de réaction et la raideur du volant. Le partenaire fait ces types d'essais uniquement avec des opérateurs.

La troisième technique consiste à eectuer le développement virtuellement. Plus un produit est développé durant la phase virtuelle, plus son développement se fait rapidement et à moindre coût. Ceci est cependant vrai que si les modèles virtuels sont susamment dèles à la réalité pour en tirer des conclusions qui seront applicables dans le monde réel. De plus, pour avoir du succès avec ce type d'approche, il faut évidemment comprendre les liens entre les paramètres mesurables d'une direction assistée et les sensations qu'ils produisent au conducteur. L'utilisation de ce type de conception n'est pas courante dans le développement actuellement fait par l'équipe de conception du partenaire industriel. L'objectif de ce projet s'inscrit clairement dans l'implantation ferme de la deuxième tech-nique de développement. La liste d'essais objectifs sera utilisée pour développer les nou-veaux systèmes rapidement et objectivement en limitant le nombre d'essais à ceux qui sont les plus pertinents. Il n'est pas sous-entendu que cette série d'essais remplacera complète-ment les essais avec des pilotes professionnels pour terminer l'ajustecomplète-ment. Cette technique permettra de réduire le temps passé dans les phases préliminaires du développement et de

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1.5. DÉFINITION DE LA SUBJECTIVITÉ ET DE L'OBJECTIVITÉ DE LA

MANIPULATION DU VÉHICULE 5

diminuer des biais introduits par la subjectivité des personnes qui y travaillent [10]. De plus, la liste d'essais objectifs peut servir comme fondement pour déterminer les éléments nécessaires pour bâtir un système virtuel. Les essais seront bien connus et une panoplie de données seront disponibles pour construire le modèle virtuel et valider ses performances. La conception et l'intégration dans un véhicule d'un système de direction assistée sont rarement faites par la même équipe de développement. Il faut avoir une excellente munication et une compréhension des interactions entre les diérents systèmes qui com-posent un véhicule pour être en mesure de produire un nouveau modèle qui satisfait les objectifs de temps et de budget, ainsi que les attentes des clients. Actuellement, il existe un manque de connaissances entre les diérentes sensations que l'utilisateur ressent et les paramètres du véhicule (excluant ceux des directions assistées) qui les inuencent. Ce projet de recherche tentera aussi combler certaines de ces lacunes.

L'inuence qu'ont les modications des paramètres d'un système de direction sur les sensa-tions de conduite n'est pas complètement connue par le partenaire industriel. Elle dépend de plusieurs facteurs dont certains sont externes au système de direction tel que la préfé-rence du conducteur, la rigidité du châssis, la suspension, le siège, etc. Il est aussi connu que certains paramètres ont des eets contraires sur les diérentes sensations éprouvées par le conducteur. Tel que présenté dans [16], l'ajout d'un gain plus élevé est souvent associé à une perte de sensation de la route.

Un véhicule est composé de plusieurs sous-systèmes qui interagissent pour produire les sensations de conduite nales. Il est important de connaître les eets que des changements de paramètres du système de direction ont sur l'ensemble du véhicule, qui dicte la majorité de la dynamique du véhicule [9]. La dynamique du véhicule est ce que les conducteurs ressentent en conduisant et qu'ils interprètent en sensations de conduite. Par exemple, les véhicules qui tanguent excessivement lors de changements de direction latérale sont rarement connus pour leur bonne tenue de route (peu importe si c'est le cas ou non) car les conducteurs le perçoivent ainsi.

1.5 Dénition de la subjectivité et de l'objectivité de

la manipulation du véhicule

La manipulation du véhicule est dénie comme la performance dynamique du système véhicule-conducteur[9]. Ceci englobe autant les réactions de l'utilisation de l'accélérateur, du frein ou du système de direction que l'inuence des perturbations externes, tels le vent

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et la chaussée. Le conducteur est le contrôleur du système complète. Le véhicule est un sous système qui réagit aux consignes du conducteur et des perturbations de l'environnement. Le système est composé de deux sous-systèmes. Ainsi, la manipulation du véhicule peut être perçue du point de vue du conducteur (mesures subjectives) ou de celui du véhicule (mesures objectives).

Les mesures subjectives référent aux sensations d'un conducteur lors de diérentes tâches de conduite [9]. Les données obtenues sont typiquement des mots. Il est essentiel d'avoir une technique pour interpréter les mots d'un conducteur correctement. Typiquement un questionnaire est utilisé pour cerner et standardiser les réponses des diérents conduc-teurs. Habituellement, les questionnaires mettent des mots sur une échelle ordinale pour permettre une compréhension plus facile par les gens qui le complètent.

Les mesures objectives sont relativement simples à dénir. Ce sont des mesures qui sont obtenues par des transducteurs (avec ou sans manipulations) lors d'essais normalisés [9]. Les valeurs obtenues sont des ratios, des accélérations contrôlés ou des vitesses. Dans ce do-cument, le terme essai objectif réfère à une série d'essais contrôler par un robot de conduite qui applique des consignes (position angulaire du volant) à une vitesse prédéterminée.

1.6 Contributions originales

La réalisation de l'objectif du projet augmentera l'ecacité de la conception des systèmes de direction assistée. Avoir une série d'essais objectifs pour analyser les systèmes de di-rection assistée est un atout important lors de la conception. Une partie des paramètres ajustables sera optimisée par la série d'essais objectifs dans les étapes préliminaires du projet, avant les essais avec des humains. De plus, avec un modèle virtuel adéquat, cette série d'essais pourra être utilisée dans un environnement complètement virtuel pour op-timiser le produit dans un stade très préliminaire d'un projet de développement. Cette méthode est utilisée chez les manufacturiers automobiles.

Cette étude concevra une méthode de conversion de données subjectives et objectives en modèle mathématique. Ce modèle ayant comme variable indépendante les mesures objectives aura comme solution nale les mesures subjectives.

1.7 Plan du document

L'introduction est suivi du chapitre 2, l'état de l'art, qui est une revue bibliographique de la documentation utilisée dans cette recherche. Le chapitre 2 comporte aussi une section

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1.8. CONVENTIONS UTILISÉES 7 concernant le données disponibles venant du partenaire industriel. Ce chapitre apporte les éléments de base qui ont mené a la conception, réalisation et analyse du ce mémoire. Le chapitre 3:Conception, collecte et traitement des données, démontre la méthodologie du projet de recherche. Le chapitre est divisé en plusieurs sections soit ; la structure du projet, les hypothèses, les remarques générales concernant le projet, la conception et la collecte de données.

Le chapitre 4:Analyse et résultats présente une analyse objective et présente les résultats obtenus lors des multiples essais objectifs et subjectifs. Les étapes de transformation et de réduction des données y sont détaillées.

Le chapitre 5:Discussion interprète les résultats obtenus tout en faisant ressortir les points forts. Chaque étape est ainsi analysée.

Les chapitres 3:Conception, collecte et traitement des données, 4:Analyse et résultats et 5:Discussion ont une structure commune. Ils sont tous divisés en trois sections princi-pales. La première section concerne le volet subjectif, la deuxième section concerne le volet objectif et la dernière concerne la régression des deux premières sections. Cette structure commune simplie la lecture du document et réduit le risque de confusion entre les nombreux essais et les diérentes utilisations des méthodes statistiques. Ces chapitres représentent le cheminement de la recherche.

Dernièrement, la conclusion récapitule les résultats, revient sur les contributions de la recherche et avance les perspectives concernant l'étude.

1.8 Conventions utilisées

La plupart des nouveaux systèmes de direction assistée ont comme source de puissance un moteur électrique (electric power steering ou EPS) et ils sont contrôlés par un micropro-cesseur avec un algorithme sophistiqué. Dans le restant du document, toute référence à un système de direction assistée fait référence à ce type de système, sauf indication contraire. Le cadre de référence de véhicule est important, l'existence de celui-ci permet de décrire d'une façon claire la dynamique. La norme ISO-8855-2011 suggère un système de référence de véhicule. C'est celui-ci qui est utilisé pour ce document. Le tableau1.1 donne la dénition de l'élément de base de la position du véhicule par rapport au système de coordonnées. Les termes qui décrivent la dynamique découlent de cette dénition.

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Figure 1.1 Système de Coordonnées d'une véhicule selon ISO-8855-2011 [21]

Tableau 1.1 Dénition des termes de la dynamiques d'un véhicule [21]

Nom de l'élément Nom de l'élément

en anglais Description Note

Angle de rouleau Roll angle Rotation autour de

l'axe X L'angle de rouleau n'est pasmesuré relatif au sol, il est

relatif a l'horizon, donc un véhicule statique dans une pente n'a pas un angle de rouleau de zéro

Angle de lacet Yaw angle Rotation autour de

l'axe Z

Angle de tangage Pitch angle Rotation autour de

l'axe Y L'angle de tangage n'est pasmesuré relatif au sol, il est

relatif a l'horizon, donc un véhicule statique dans une pente n'a pas un angle de tangage de zéro.

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CHAPITRE 2

ÉTAT DE L'ART

2.1 Données provenant du partenaire industriel

L'équipe de développement a travaillé sur la dénition des sensations de conduite. La majorité de l'information amassée se trouve dans diérents rapports disponibles dans la base de données de Kongsberg Automotive. La section qui suit est un résumé de l'infor-mation concernant l'analyse des sensations de conduite et des essais qui sont utilisés pour développer un système de direction.

L'équipe dénit trois diérentes sensations qui doivent être satisfaites pour obtenir un système de direction adéquat. Comme la nature des sensations est jugée très subjective par l'équipe, une identication de celles-ci a été faite an de mieux analyser les données. Ces sensations sont la sécurité, le confort et l'agilité perçue. Ceci concorde de près avec d'autres dénitions qui se trouvent dans la littérature [14] [28]. L'équipe a découpé les plages d'application de ces sensations par rapport à la vitesse longitudinale d'un petit véhicule hors route. L'équipe a aussi imposé des plages à respecter pour certains paramètres contrôlables d'un système de direction assistée. Ces paramètres incluent le gain, la vitesse et le couple de retour et la vibration ressentie par l'utilisateur.

L'équipe de développement a tenté de segmenter certaines sensations à des plages de vitesse spéciques. La segmentation par rapport à la vitesse reète plutôt une importance plus grande de cette sensation à une vitesse spécique et non son absence complète. Au l du temps, les diérentes valeurs ont été établies par des analyses basées sur les préférences de l'utilisateur. Cependant, très peu d'essais normalisés ont été établis pour obtenir des résultats objectifs, les valeurs des paramètres sont obtenues par essai et erreur.

L'intégration d'un nouveau système de direction se réalise habituellement en suivant les étapes suivantes:

1. Caractérisation de la charge statique ;

2. Installation d'une direction assistée dans le véhicule ;

3. Ajustement de la boucle de contrôle statique an qu'elle soit stable (limitation des dépassements [overshoot en anglais]), temps de réponse adéquate pour le véhicule,

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stabilité du couple du volant pour le conducteur et ait peu de vibration perceptible pour un conducteur tout en obtenant le gain maximal (minimisation de l'eort requis pour tourner le volant) ;

4. Essais d'uniformité (pour diminuer l'eet d'hystérésis et diminuer les sensations va-riables venant de la vitesse angulaire changeante du volant) et de légèreté (sensation à l'arrêt) ;

5. Essais dynamiques sur le véhicule pour ajuster le contrôleur ; 6. Essais avec le client pour terminer les ajustements.

Les connaissances venant de l'équipe sont déjà importantes, mais il manque certaines connaissances et surtout des moyens répétables d'obtenir un résultat uniforme et rapide sans égard au type véhicule ou au conducteur d'essai.

2.2 Données disponibles dans la littérature

Une des études qui a tracé le chemin pour plusieurs autres projets qui tentent d'établir une technique pour tisser des liens entre les sensations de conduite et la dynamique d'un véhicule et celui de David Chen écrit en 1997 [9]. Sa thèse, intitulée Subjective And Objec-tive Vehicle Handling Behavior, propose une méthodologie permettant de lier les réponses d'un questionnaire à des éléments de la dynamique d'un véhicule issue d'essais normalisés. Il est facile de voir l'inuence de l'étude de David Chen sur plusieurs autres qui lui ont succédé, dont ceux de Harrer [14] et de Nybaka [28] décrit plus bas. Il doit être noté que Chen s'est inspiré de diérents autres projets qui l'on précédé, mais son projet en est un des premiers à être si englobant.

Chen s'est xé deux objectifs principaux, premièrement de lier les opinions subjectives des conducteurs aux mesures objectives des véhicules. Deuxièment, il tente de concevoir et valider un modèle mathématique qui pourrait être utilisé lors de la conception de véhicule. Le premier objectif est d'intérêt dans le cadre de ce projet et les éléments de cet aspect seront approfondis.

L'utilisation d'essais normalisés est utilisée par la plupart des chercheurs pour à la fois simplier les essais et augmenter la répétabilité des essais objectifs. Il est aussi possible, si des véhicules similaires sont utilisés, de pouvoir comparer les résultats de diérentes études. Chen a utilisé cinq essais objectifs avec tous les paramètres que ses essais imposent. Les

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2.2. DONNÉES DISPONIBLES DANS LA LITTÉRATURE 11 essais sont identiés dans le tableau 2.1. Il fait les essais avec 16 diérentes congurations de véhicule.

La prochaine section d'intérêt du travail de Chen est celui de la collecte des informations issues des essais subjectifs. Chen, comme plusieurs autres auteurs, discute des avantages et des désavantages de l'utilisation des pilotes d'essai versus l'utilisation de conducteurs issues de la population générale. L'auteur en vient à la même conclusion que plusieurs autres par rapport à ce sujet, il opte pour le pilote d'essai professionnel. Il fait cette décision basé sur les avantages suivants ; facilité d'interprétation et d'accomplissement des manoeuvres imposées, connaissance du langage commun pour décrire leurs sensations, uniformité des sensations optimales d'un véhicule et leur plus grande susceptibilité à être en mesure de détecter des très petits changements dans les diérentes congurations des véhicules d'essais. Il mentionne que l'utilisation de pilotes d'essai ne représente pas la population générale et ils ont souvent des préjugés particuliers de conduite (point qui est aussi mentionné par Nybaka dans [28]).

Chen utilise un questionnaire avec des questions techniques qui sont conçues pour des pilotes ayant une facilité d'interpréter et d'exprimer leurs sensations de conduites.

Tableau 2.1 Essai objectifs de l'étude de Chen [9]

Test Standard

Steady state circular ISO 4138:1982

Step input ISO 7401:1998

Pseudo-random steer ISO 7401:1998

Impulse steer ISO 7401:1998

Lane change ISO technical report 3888

La dernière section du travail de Chen porte sur l'établissement d'une corrélation entre les réponses subjectives et objectives. La gure 2.1 illustre le procédé utilisé par Chen. Il procède en suivant la technique suivante. Il commence par le retrait des métriques objectives aberrantes, retrait des métriques objectives ayant une colinéarité. Ensuite, il utilise la régression multiple (moindres carrés) pour résoudre un système d'équations. Finalement, il vérie si la corrélation est statistiquement signicative avec le seuil R>0.8. Si la corrélation est bonne elle est conservée sinon l'exercice recommence avec la mesure objective retiré du système. Il fait ceci pour chaque pilote d'essai.

Chen interprète les données et arrive avec deux généralités. Sa première remarque est qu'il y a très peu de questions qui montrent une corrélation avec les données objectives.

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Il explique ceci par le fait que les données (objectives et subjective) ne couvrent pas susamment d'aspects pour avoir une couverture complète. Sa deuxième interprétation est que lorsque la corrélation était satisfaisante, les résultats étaient diérents d'un pilote à un autre.

Il conclut que les métriques qui sont les plus susceptibles d'avoir une grande corrélation sont celles qui aectent la réponse du véhicule dans des tâches de contrôle (changement de voie par exemple), car les pilotes d'essai ne sont pas en mesure de percevoir les changements des métriques qui ne causent pas de changement de la dynamique du véhicule. Chen mentionne aussi que les pilotes d'essai ne répondent pas de façon uniforme aux questions subjectives. Finalement, il note que la majorité des réponses aux questions données par les pilotes ont une distribution normale autour de la moyenne, lorsque mises sous forme tabulaire. Manfred Harrer dans sa thèse [14] établit que la sensation de conduite est considérée comme individuelle et est une expérience complexe et subjective, qui s'applique à plusieurs sens humains et est aectée par la réponse du volant . Ceci démontre que pour cet auteur, les sensations de conduite liées à la direction d'un véhicule ne se limitent aucunement aux paramètres de la direction, mais englobent tout le véhicule.

Son étude avait comme objectif de créer un questionnaire subjectif de diérentes facettes des sensations de conduite et d'en extraire des données statistiques pour être en mesure de quantier les résultats. Son étude avait aussi une caractérisation objective des réac-tions du véhicule qui ont été recueillies par des mesures prises sur le véhicule. Ces mesures ont été récoltées durant une série d'essais normalisés par un robot de conduite avec des congurations de direction assistée qui variaient. Le but étant d'utiliser les essais norma-lisés avec robots ou utiliser des modèles complètement virtuels pour directement tirer des conclusions sur les sensations de conduite des utilisateurs humains. La gure 2.2 montre la structure de son étude.

Il décrit une liste de paramètres contrôlables dans le véhicule comme étant les paramètres modiables pour changer les sensations de conduite perçues par l'usager. Les paramètres sont identiés par rapport au véhicule complet et non limités à la colonne de direction. L'information est regroupée dans quatre groupes: optique, acoustique, kinesthésique et haptique.

Le groupe optique est le plus important pour le conducteur et est composé de l'information venant de ce qu'un conducteur voit ; la route qui vient, la position des obstacles et des autres véhicules sur la route, la réaction du véhicule sous la forme de l'angle et le taux

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2.2. DONNÉES DISPONIBLES DANS LA LITTÉRATURE 13

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2.2. DONNÉES DISPONIBLES DANS LA LITTÉRATURE 15 de lacet du véhicule. Le glissement latéral peut aussi être détecté optiquement. Tous les paramètres optiques peuvent être détectés par l'usager jusqu'à une fréquence de 0.5 Hz. Le groupe acoustique est composé des bruits venant de diverses parties du véhicule. Le crissement de pneu est le contributeur majoritaire de ce groupe.

Le groupe kinesthésique, obtenu du système vestibulaire de l'oreille interne, donne de l'information des mouvements angulaires de lacet, de rouleau et de l'accélération latérale, le conducteur peut détecter ces mouvements jusqu'à une fréquence de 2 Hz.

Le groupe haptique, obtenu des réactions entre le conducteur et les zones de contact avec le véhicule, habituellement le siège et le volant, est d'une importance capitale pour les systèmes de direction. L'interaction entre le conducteur et le siège transfère l'accélération latérale au conducteur. Le volant transmet le couple nécessaire pour changer l'angle des roues, l'état de la chaussé et plusieurs autres éléments.

La collecte de plusieurs questionnaires ainsi que les données obtenues de plusieurs essais automatisés ont permis à l'auteur d'identier des liens entre certaines facettes majeures des sensations de conduite et les paramètres du système de direction.

Les conclusions de l'auteur sont présentées dans le tableau suivant:

Tableau 2.2 Conclusion des mesure subjectives de l'étude de Harrer [14] Paramètres indépendants de

la classe du véhicule Paramètres dépendants de laclasse du véhicule

Le couple du volant Réponse de la direction

La sensation du centrage Demande de l'angle du volant

La précision de la direction La friction de la direction

Il établit aussi des valeurs limites pour certains paramètres de diérentes directions assis-tées, mais ces valeurs ne sont pas présentées.

La thèse de Harrer [14] est en lien direct avec les objectifs du projet. Cependant, son projet a été conçu pour des voitures et les essais faits sur de véritables voitures en circuit fermé. Les techniques et les conclusions présentées devront être adaptées pour être applicables à ce projet.

Nybacka et al [28], ont un objectif similaire à Harrer, mais ils utilisent plusieurs techniques pour identier les liens entre les essais objectifs et subjectifs. L'auteur utilise la régression linéaire (simple et multiple) comme Harrer dans sa thèse[14], mais il ajoute aussi une

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cor-rélation non linéaire, un réseau de neurones, pour tenter de trouver des liens non linéaires entre des mesures objectives et subjectives.

Bien qu'il ait utilisé un faible nombre de véhicules, l'auteur en tire cependant plusieurs conclusions. Premièrement, l'utilisation d'un réseau de neurones a permis de dénir plu-sieurs plages optimales pour les résultats issus des essais objectifs. Il a été en mesure de dénir plusieurs liens linéaires entre les mesures objectives et subjectives. Les conclusions les plus marquantes sont les suivantes.

- Le gain en lacet (yaw) doit demeurer au-dessus d'une valeur minimale à basse vitesse. - L'accélération latérale doit demeurer susamment haute pour permettre au conduc-teur de bien ressentir ce qu'il se passe réellement avec le véhicule lors de manoeuvre de changement de direction.

- Lors de la conduite hors centre (changement de direction considérable), le gain en lacet et la réponse du gain de sous-actuation de la colonne de direction sont cruciaux. Des résultats similaires sont présentés dans une autre recherche.

Malheureusement, la conclusion demeure très vague et peu d'information quantitative est présentée.

Dans le mémoire de Hitti [17], l'auteur tente de créer un modèle mathématique pour simuler un système de direction assistée qui retourne un couple réaliste à l'utilisateur virtuel pour faire de la conception virtuelle. De même que dans les autres études, les véhicules utilisés sont des automobiles. L'auteur utilise les mêmes essais que dans l'étude de Nybacka [28], mais avec un regard très focalisé sur le retour du couple que l'utilisateur ressent. Cette particularité est très intéressante, car c'est le paramètre le plus vérié par l'équipe de développement de Kongsberg. Cette étude sert de pont pour aider à valider des liens faits entre les études de Nybacka et Harrer et le travail fait par l'équipe de Kongsberg. De plus, ce mémoire présente les résultats complets des essais eectués. Il est possible de comparer les résultats de cette étude à ceux qui découleront du présent projet, an de voir si les techniques et les essais utilisés dans le domaine automobile sont transférables à ceux des petits véhicules hors route.

Post dans sa dissertation de 1995 [30] explique en détail les diérents systèmes de direc-tion assistée sur le marché à cette époque. Bien que la dissertadirec-tion ait plus de 20 ans, plusieurs aspects de ce document sont encore pertinents aujourd'hui. Plusieurs éléments de sa modélisation et simulation sont encore applicables sur des véhicules modernes. Il décrit toutes les étapes et les formules utilisées ainsi que les hypothèses formulées pour

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2.2. DONNÉES DISPONIBLES DANS LA LITTÉRATURE 17 arriver à son modèle nal. Les détails de la modélisation permettent de comprendre chaque pièce individuellement ainsi que leur interaction les unes envers les autres. Les assemblages plus complexes qui forment les systèmes de direction assistée et l'origine des non-linéarités mathématiques présentes sont bien expliqués. La dissertation a comme objectif de créer un modèle pour prédire la réponse d'un véhicule, lorsque soumis à de petits changements de direction durant l'utilisation sur une route relativement droite. Cette situation est nom-mée on-center driving en anglais. Bien que ce document n'ait pas comme objectif de vérier les sensations de conduite d'un opérateur, les techniques et les essais utilisés sont similaires à ceux utilisés dans le reste des études. Comprendre l'utilité de ces essais ainsi que leur omniprésence dans tous les aspects de la caractérisation des véhicules démontre la pertinence d'utiliser ce type d'essais normalisés pour communiquer clairement les résultats d'une étude.

Plusieurs études sur le sujet des sensations de conduite utilisent des questionnaires pour évaluer les sensations des pilotes d'essai. Ces questionnaires sont habituellement très tés pour les pilotes d'essai, car ils utilisent un langage technique et des formulations adap-tées de cet auditoire. Boller et Wohlfarth [6] décrivent comment ils ont été en mesure de concevoir un questionnaire qui collecte l'information nécessaire pour bien décrire les sensa-tions de conduite des utilisateurs et est compréhensible par l'ensemble des conducteurs de camions lourds. Pour arriver à cette conclusion les auteurs ont commencé avec une série de questions qui étaient utilisées pour des pilotes d'essai. De cette liste ils on progressivement modié les questions et le langage utilisé pour arriver à une série de questions adéquates pour leur sujet d'essai.

Rothhämel, Ijkema et Drugge dans [33] créent un bassin de mot qui a comme objectif de pouvoir complètement décrire toutes les sensations de conduite du point de vue d'un conducteur moyen, non pas des pilotes d'essai.

Pour arriver à leur liste nale, le groupe de recherche commence premièrement par dresser une liste de tous les mots disponibles dans la littérature, des experts de conduite, des participants issus de la population moyenne et du groupe de recherche lui-même. Sub-séquemment, le groupe de recherche classe tous les mots par sensation de conduite les plus similaires. Ils utilisent plusieurs méthodes: analyse de grappe, circumplex, une échelle multidimensionnelle et l'évaluation manuelle, pour y arriver.

La table 2.3 montre la traduction, en français des dimensions et des mots reliés naux que l'étude propose. Les auteurs mentionnent que la traduction anglaise de leur bassin de mot suédois ne peut être parfaitement traduite qu'après avoir été analysée par des personnes

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2.2. DONNÉES DISPONIBLES DANS LA LITTÉRATURE 19 qui ont l'anglais comme langue maternelle. Ceci s'avère exact compte tenu de la traduction de la gure 2.3 qui comporte plusieurs mots inhabituels pour des Québécois moyens.

Tableau 2.3 Traduction de Bassin Final Rothhämel et Al. [33]

Dimensions Mot relié

Stabilité (in)stable

direction stable stable en transition sensible aux ornières

bancal Réponse contrôlé retard (in)direct distinct erratique obéissant rapide réactif précis (in)exact glissant sensible Jeu jeu Résistance lourd/facile inerte

léger comme une plume demande de l'eort

Ratio grand/petit angle de volant requis

Sensation de la route sensation de la route

contact avec la route

Secousse (confort) secousse

pulsation tremblant impulsif secousse de volant

vibrant

Retour au centre retour au centre

Stanly L. Payné, Chase Harrison, Camille Gagné, Gaston Godin et Karen Cortell Reisman dans leurs ouvrages [29], [15], [11] et [31], respectivement, ont tous des documents traitant sur les meilleures façons de formuler et de poser des questions pour avoir une réponse qui concorde réellement au sujet que l'interrogateur souhaite avoir de l'information.

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Malgré l'écart entre la discipline et l'époque, les aspects de plus grande importance sont les mêmes pour tous ces auteurs. Ils soulignent l'importance d'avoir des questions simples et courtes en utilisant des mots précis et compréhensibles pour l'auditoire ciblé. Pour arriver à ce résultat, les techniques varient un peu, mais reviennent tous à la même façon de faire. Premièrement, établir précisément l'information requise et formuler un questionnaire préliminaire. Il est noté dans [33], qu'il est essentiel que le questionnaire soit revu et ajusté selon les recommandations de personnes qui ont comme langue maternelle la langue du questionnaire. Ils suggèrent que les questionnaires soient tous revus et qu'ils soient essayés de nombreuses fois pour s'assurer de leur exactitude et de leur conformité.

2.3 Résumé des données disponibles

Avec les connaissances venant de l'équipe de travail de Kongsberg et les données venant de la littérature scientique, une dénition des sensations de conduite liées aux directions des automobiles peut être établie. Les trois sensations de conduite sont ; la sécurité, le confort et l'agilité perçue. Cette dénition identiée dans la plupart des sources constitue la base du projet. Les trois sensations principales auront les dénitions suivantes pour le reste de ce document.

- La sensation de sécurité est la sensation que les éléments en provenance du sys-tème de direction assistée fournissent au conducteur et orientent ses décisions de conduite. L'absence ou l'excès de ces sensations mène souvent à une déconnexion entre l'usager et la route (aussi nommée retour d'information du système).

- L'agilité perçue est la sensation que le véhicule réagit au couple fourni par l'uti-lisateur d'une façon proportionnelle. Ceci n'est pas simplement l'action de modier l'angle des roues proportionnellement au couple fourni par l'utilisateur, c'est la ré-action complète du véhicule aux demandes de l'utilisateur qui détermine l'agilité perçue (aussi nommée la précision de conduite).

- Le confort est la sensation que le véhicule soit facilement contrôlable, l'absence des vibrations inconfortables de la route et l'absence des vibrations ou autres bruits venant des systèmes reliés à la direction (freins, actuateurs, etc.). L'uniformité de la réaction du système de direction assistée en réponse aux changements de couple venant de l'utilisateur est importante pour le confort. Éviter les coups ou induire des délais de réponse aux demandes de l'utilisateur est important pour assurer un confort adéquat.

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2.3. RÉSUMÉ DES DONNÉES DISPONIBLES 21 La perception du conducteur est basée sur une expérience englobant plusieurs facettes des sensations humaines.

Les auteurs précédemment mentionnés utilisent des techniques similaires pour évaluer objectivement les sensations de conduite. Ils utilisent les résultats de la dynamique d'un véhicule issue d'essais où la vitesse du véhicule et le couple au volant sont connus et trouvent les liens avec les évaluations venant d'essais subjectifs. Les essais normalisés pour acquérir les données de la dynamique du véhicule sont connus ainsi que les questionnaires pour une évaluation subjective. Les techniques pour associer les résultats de la dynamique aux réponses subjectives sont aussi connus. Pour les appliquer au projet, il sut de les adapter à des petits véhicules hors routes.

La technique utilisée par Chen, Harrer et Nybaka (voir Figure2.1) sera utilisée dans ce projet pour trouver les plus fortes corrélations entre les essais objectifs et les essais sub-jectifs. Les essais qui ont été retirés par ISO n'ont pas été retenus. Les essais SAE ont été remplacés par leur équivalent ISO pour uniformiser le traitement des données.

Les conclusions des diérents projets ne pourront pas être utilisées comme comparatifs car le type de véhicule utilisé dans ce projet dière trop d'une automobile standard.

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CHAPITRE 3

CONCEPTION, COLLECTE ET TRAITEMENT

DES DONNÉES

Ce chapitre décrit la conception de chaque partie de la recherche, la collecte de données faite durant les diérents essais et le traitement de données pour qu'ils soient utilisables. Ce chapitre inclut aussi des sections sur les hypothèses du projet ainsi que des remarques générales.

3.1 Structure de ce projet de recherche

L'objectif du projet est de concevoir une série d'essais objectifs et répétables où les me-sures de la dynamique du véhicule obtenues sont analysées pour prédire les sensations de conduite. Avec cette liste, il devient possible d'ajuster ces paramètres pour les optimiser sans avoir recours à des essais avec des humains.

Pour concevoir cette série d'essais, une régression entre des essais objectifs et des sensations doit être faite. Des données sur la dynamique d'un véhicule hors route sont collectées lors d'essais objectifs où les consignes (position du volant et vitesse du véhicule) sont contrôlées. Lors de ces essais, le véhicule est conduit par un robot qui impose une vitesse et les positions de volant. Les données acquises lors des essais objectifs sont associées à des sensations perçues par des conducteurs lors d'essais sur des parcours où la position et la vitesse du véhicule sont connues. Tous les conducteurs doivent suivre la même piste balisée à la même vitesse. Les résultats de ces diérentes séries d'essais sont mis sous forme numérique an de créer un modèle de régression. Les essais objectifs qui ont le plus d'anité avec les sensations de conduite sont retenus.

Tout comme les projets semblables à celui-ci, ce projet se divise en trois parties fondamentaless Collecte et traitement de données subjectives d'utilisateurs de véhicule hors route, Collecte et traitement de données objectives de la dynamique d'un véhicule et Régression et création d'un modèle. Ce chapitre ainsi que les deux prochains chapitres sont présentés en utilisant ces trois divisions.

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La gure 3.1 représente le schéma bloc du projet. Il est basé sur les travaux de Harrer [14], Nybaka [28] et Chen [9] (voir la gure 2.2), le contenu et le format ont été adaptés pour convenir à l'objectif principal de ce projet.

Figure 3.1 Schéma bloc du projet

3.2 Hypothèses

3.2.1 Système de contrôle d'un véhicule

Pour les utilisateurs, les sensations de conduite sont ce qui distingue un système de di-rection d'un autre. Il est techniquement simple d'intégrer une composante qui ajoute de la puissance dans une colonne de direction pour diminuer l'eort requis pour changer la direction d'un véhicule. Par contre, il est considérablement plus dicile d'appliquer cet avantage mécanique à une colonne en retirant seulement les éléments inutiles venant de l'interaction entre les roues et la route, mais en gardant ceux qui le sont. L'utilisateur base une partie de son évaluation du contrôle du véhicule sur la dynamique venant du système de direction, telle la notion de perte d'adhérence à la chaussée (décrochage) [1].

Le véhicule et le conducteur peuvent être vus respectivement comme un système et son contrôleur. L'objectif du contrôleur est d'atteindre une consigne, qui est dans ce cas la trajectoire voulue. Ceci implique que le conducteur a besoin d'éléments de rétroaction pour manoeuvrer adéquatement son véhicule.

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3.2. HYPOTHÈSES 25 Dans ce modèle, le système est le véhicule et le contrôleur est le conducteur, la consigne est la trajectoire à suivre. Les autres véhicules, les conditions météorologiques changeantes, la condition de la chaussée sont des exemples de perturbations du système. Dans ce modèle, le système peut être vu comme étant en boucle fermée et la rétroaction au contrôleur (conduc-teur) vient de multiples sources. La rétroaction vient d'éléments visuels, acoustiques, ki-nesthésiques et tactiles [14] [9] [36]. La consigne envoyée par le contrôleur (conducteur) est un couple et un angle appliqué sur le volant ainsi que le contrôle sur la vitesse longitudinale du véhicule, via l'accélérateur ou le frein [16]. Un diagramme pris de [9] est présenté à la gure 3.2. Il démontre clairement le schéma de contrôle utilisé dans le cadre de ce projet. Ce projet se concentre sur les éléments de rétroaction tactile d'intérêt liés directement au système de direction. Les éléments visuels, acoustiques et kinesthésiques sont dicilement inuençables par des modications du système de direction assistée [14]. Le niveau de bruit généré par des systèmes de direction assistée de petits véhicules hors route est très faible. C'est pourquoi cet aspect ne sera pas traité dans le cadre du projet.

Figure 3.2 Boucle de contrôle fermée du conducteur[14]

Avec cette interprétation de l'interaction humain-machine, les sensations de conduite que procure le véhicule au conducteur sont importantes. C'est une partie intégrale de la boucle de contrôle. Si le conducteur reçoit seulement de l'information pertinente et précise venant du véhicule, ses ajustements de conduite seront mieux adaptés. L'information tactile reçue par le conducteur, soit l'information nécessaire pour prendre des décisions sur le change-ment de direction, change selon le type de conduite et la vitesse du véhicule. Ce modèle

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de l'interaction humain-machine est fortement utilisé dans la plupart des études recensées dans la littérature.

3.2.2 Perturbations des mesures

Il est essentiel de comprendre ce qui perturbe la mesure des données: introduction de bruit dans les données subjectives et objectives. De plus, il faut comprendre comment contrôler les eets des altérations pour les minimiser. La gure 3.3 montre les données souhaitées, les données collectées et les perturbations que subit la mesure des données souhaitées. Les éléments de contrôle et d'atténuation des éléments perturbateurs (bruit) pour les essais subjectifs et objectifs seront expliqués dans leurs sections respectives.

Figure 3.3 Altérations des données collectées

3.2.3 Réalisme de essais

Les données obtenues des essais subjectifs supposent que les essais sont susamment réa-listes pour que les sensations des conducteurs soient similaires à celles éprouvées lors de l'utilisation habituelle des véhicules [28]. Une partie du travail d'adaptation des essais subjectifs normalisés est de créer des essais qui soient réalisables et sécuritaires pour des véhicules hors route de petite taille, tout en représentant des situations de conduite réa-listes.

Très peu d'information est disponible à ce sujet concernant les petits véhicules hors route. Une des étapes de la réalisation des parcours d'essai est donc de valider les parcours

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3.2. HYPOTHÈSES 27 avec des conducteurs aguerris. N'ayant pas accès à un pilote professionnel, des conduc-teurs expérimentés de petits véhicules hors route sont sollicités pour le rodage des trajets pour les essais subjectifs. Ces personnes ressources ont jugé les parcours représentatifs des conditions réelles d'utilisation.

3.2.4 Distribution normale des sensations de conduite

Plusieurs auteurs supportent l'armation qu'un conducteur nécessite un minimum de rétroaction pour conduire [14] [9] [28] [17] [36]. Cependant, ce que chaque conducteur re-cherche comme rétroaction du véhicule ainsi que l'importance qu'il lui accorde est variable. L'interprétation du conducteur change en fonction de plusieurs facteurs: sa préférence per-sonnelle, ses habitudes de conduite, son humeur, les systèmes d'aide à la conduite activés, le type de chaussée, etc. Cette liste ne constitue que quelques éléments qui inuencent les sensations à un moment donné.

Cette situation apporte deux éléments qu'il faut prendre en considération dans ce projet. Premièrement, malgré la variance d'interprétation et d'importance de diérentes sensa-tions de chaque conducteur, les résultats obtenus avec un nombre susant de pilotes d'essai qui évaluent leurs sensations personnelles, forment une distribution normale. Cette notion est très importante pour le traitement statistique des résultats des essais. Ce résul-tat est supporté par Nybaka [28]. L'expérience pratique du partenaire industriel conrme

aussi un gain préférer par la grande majorité des utilisateurs1_{. L'étude actuelle suppose}

que les données prennent la forme d'une distribution de forme normale.

Deuxièmement, il est possible que les préférences de conduite d'un véhicule change au l du temps. Les conducteurs ont diérentes attentes en fonction du type de véhicule qu'ils conduisent [9]. Les conducteurs s'adaptent selon la nature du véhicule. Ceci est aussi vrai pour les sensations au l du temps. Un conducteur du début du siècle dernier trouve-rait bien étranges nos automobiles contemporaines. Donc, les résultats obtenus dans cet ouvrage ainsi que ceux des ouvrages de référence doivent être remis en question pério-diquement et mis à jour. Une grande partie de ce projet de recherche a été consacré à s'assurer que de futurs essais avec le même type de véhicule, ainsi qu'avec d'autres types de véhicules, puissent facilement être reproduits.

Plusieurs auteurs [14] [28] [17] proposent tous des essais pour faire l'évaluation des véhi-cules. Parmi ceux-ci, les essais qui s'appliquent pour évaluer les sensations reliées à des

1_{La majorité des petits véhicules hors route ont un système de sélection du gain du système de direction}

qui ore le choix idéal anqué d'un gain supérieur et un autre inférieur pour rejoindre les préférences d'une plus grande portion de la population

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véhicules de petite taille (manoeuvres de stationnement, manoeuvres à basse vitesse et essais ont des vitesses modérées) ont été identiés et retenus pour ce projet. Les essais retenus sont disponibles en annexe. Les documents cités fournissent de plus amples détails sur les descriptions de ces essais.

3.3 Remarques concernant le projet de recherche et

ce document

3.3.1 Limitations concernant les essais

La sécurité est importante pour le partenaire industriel. Cette entreprise a une longue expérience d'utilisation des petits véhicules hors route et d'essais avec ces véhicules. Le partenaire industriel a des protocoles d'utilisation sécuritaire des véhicules applicables en tout temps au sein de l'entreprise. Les conducteurs participants à la recherche doivent respecter les protocoles de sécurité de l'entreprise. De plus, le règlement concernant les projets de recherche impliquant des humains auquel l'Université de Sherbrooke adhère a aussi été respecté et le projet a suivi les indications approuvées par le comité d'éthique. L'information complète peut être trouvée dans l'annexe Information du Comité d'Éthique et Formulaire de Consentement.

Un des éléments du protocole de sécurité concerne la limite de vitesse ainsi que les tracés du parcours qu'ont suivi les participants. La vitesse maximale du véhicule était de 30 km/h. Les tracées étaient limitées au niveau des rayons des courbes minimaux ainsi que le taux de changement de direction. La vitesse limitée ainsi que les changements de direction doux ne représentent pas des situations réalistes de conduite des petits véhicules hors route. Finalement, il doit être noté que le partenaire industriel n'a pas permis de divulguer les parcours exacts utilisés lors des essais subjectifs.

3.3.2 Limitations concernant le recrutement des participants

Il est connu, pour des raisons de validité statistique, qu'une étude comme celle-ci impose un grand nombre de participants issus de la population générale sélectionnés sans parti pris [4, 7, 8]. Cette étude n'est pas conforme concernant ces deux points. Le partenaire industriel a imposé certains critères de recrutement des participants pour l'étude. Ces res-trictions ne seront pas discutées dans le présent document pour préserver la condentialité des participants. Elles ont pour eet de restreindre le bassin de participants potentiels.