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Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Universit

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Abou Bekr Belkaid, Tlemcen Faculté des Sciences de l’Ingénieur THESE Présentée pour l’obtention du grade de Docteur Es Science en Automatique par Sidi Mohammed MELIANI Soutenue publiquement le 25 novembre 2009 devant la commission d’examen : Président : Noueddine GHOUALI Professeur UABB Tlemcen Algérie Rapporteur : Lissan AFILAL Maître de Conférence CReSTIC URCA Reims France Abdelkader BENYETTOU Professeur USTOMB Oran Algérie Co - Directeurs : Guy BOURHIS Professeur LASC – UPVM Metz France Zaki SARI Maître de Conférence LAT – UABB Tlemcen Algérie Modélisation du Système Pilote-Véhicule dans une tâche de contrôle manuel d’un fauteuil roulant électrique Table des matières ii Table des matières REMERCIEMENTS.................................................................................................viii INTRODUCTION ......................................................................................................... 1 I. CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART ................................................................ 4 I.1. Introduction.......................................................................................................................... 4 I.2. Caractéristiques du pilote..................................................................................................... 5 I.2.1. Introduction.................................................................................................................... 5 I.2.2. Limitations physiques .................................................................................................... 5 I.2.2.1. Temps de retard et seuils de détection ..................................................................... 5 I.2.2.2. Caractéristiques visuelles......................................................................................... 6 I.2.2.3. Influence du mouvement.......................................................................................... 6 I.2.2.4. Information auditive................................................................................................. 7 I.2.2.5. Information haptique................................................................................................ 7 I.2.2.6. Classification de l’influence des signaux sensoriels sur un conducteur .................. 7 I.2.2.7. Considérations sur la commande manuelle.............................................................. 9 I.2.3. Conclusion ..................................................................................................................... 9 I.3. Différents comportements et variables intervenant dans le contrôle d’un système pilote-véhicule...................................................................................................................... 9 I.3.1. Introduction.................................................................................................................... 9 I.3.2. Variables clés dans le système pilote-véhicule............................................................ 10 I.3.2.1. Variables de travail ................................................................................................ 10 I.3.2.2. Variables d’environnement.................................................................................... 11 I.3.2.3. Variables internes de l’opérateur et procédurales.................................................. 11 I.3.3. Modes de comportement du pilote............................................................................... 12 I.3.3.1. Introduction : système pilote-véhicule................................................................... 12 I.3.3.2. Comportement de compensation............................................................................ 13 I.3.3.3. Comportement de poursuite................................................................................... 13 I.3.3.4. Comportement précognitif..................................................................................... 13 I.3.3.5. Utilisation de la « prévision »................................................................................ 14 I.3.3.6. Comportement adaptatif......................................................................................... 14 I.3.4. Conclusion ................................................................................................................... 15 I.4. Modèles pilote-véhicule..................................................................................................... 15 I.4.1. Introduction.................................................................................................................. 15 I.4.2. Modèle à trois niveaux de Rasmussen......................................................................... 16 I.4.3. Modèle Crossover ........................................................................................................ 19 I.4.3.1. Description du Modèle Crossover ......................................................................... 19 I.4.3.2. Modèle descriptif du pilote.................................................................................... 21 I.4.3.3. Ajustement des paramètres du modèle .................................................................. 22 I.4.3.4. Conclusion ............................................................................................................. 23 I.4.4. Modèle à commande optimale (OCM) ........................................................................ 23 I.4.4.1. Introduction............................................................................................................ 23 I.4.4.2. Développement mathématique............................................................................... 25 I.4.5. Modèles OPCM ........................................................................................................... 28 I.4.5.1. Modèle OPCM de MacAdam ................................................................................ 29 I.4.5.2. Modèle OPCM présenté par R. S. Sharp ............................................................... 31 Table des matières iii I.4.6. Conclusion ................................................................................................................... 35 I.4.7. Modélisation du système pilote-fauteuil roulant électrique......................................... 35 I.4.7.1. Introduction............................................................................................................ 35 I.4.7.2. Introduction de la loi de Fitts dans la modélisation du fauteuil............................. 36 I.4.7.3. Amélioration de la conduite d’un fauteuil roulant électrique ................................ 38 I.4.7.4. Conclusion ............................................................................................................. 40 I.5. Simulateurs d’entraînement ............................................................................................... 40 I.5.1. Introduction.................................................................................................................. 40 I.5.2. Simulateurs d’aide à la mobilité pour des personnes handicapées .............................. 41 I.5.3. Conclusion ................................................................................................................... 43 I.6. Conclusion du chapitre 1 ................................................................................................... 43 II. CHAPITRE 2 : CONCEPTION ET VALIDATION DU SIMULATEUR........................................................................................................ 44 II.1. Introduction ...................................................................................................................... 44 II.2. Description et modélisation d’un fauteuil électrique........................................................ 45 II.2.1. Introduction ................................................................................................................ 45 II.2.2. Description du fauteuil ............................................................................................... 46 II.2.3. Modélisation cinématique du fauteuil ........................................................................ 49 II.2.4. Modèle dynamique du fauteuil................................................................................... 54 II.2.5. Conclusion.................................................................................................................. 57 II.3. Simulateur de conduite de fauteuil roulant électrique...................................................... 57 II.3.1. Introduction ................................................................................................................ 57 II.3.2. Conception du simulateur........................................................................................... 57 II.3.2.1. Description logicielle du simulateur..................................................................... 57 II.3.2.2. Description fonctionnelle du simulateur............................................................... 59 II.3.3. Validation du simulateur ............................................................................................ 64 II.3.3.1. Procédure suivie dans la validation du simulateur ............................................... 64 II.3.3.2. Essais sur prototype réel et sur simulateur ........................................................... 65 II.3.3.3. Résultats et discussion.......................................................................................... 65 II.3.4. Conclusion.................................................................................................................. 67 II.4. Conclusion du chapitre 2 .................................................................................................. 67 III. CHAPITRE 3 : APPLICATION DU MODELE CROSSOVER........................................................................................................... 68 III.1. Introduction ..................................................................................................................... 68 III.2. Détermination de la fonction descriptive du pilote ......................................................... 69 III.3. Détermination des paramètres du modèle ....................................................................... 71 III.3.1. Principe...................................................................................................................... 71 III.3.2. Fonction de forçage................................................................................................... 72 III.3.3. Obtention des paramètres ωc et τe.............................................................................. 74 III.3.3.1. Méthodologie ...................................................................................................... 74 III.3.3.2. Description fonctionnelle et logicielle de l’expérimentation .............................. 76 III.3.3.3. Résultats .............................................................................................................. 77 III.3.4. Conclusion................................................................................................................. 79 III.4. Application du modèle Crossover................................................................................... 79 III.4.1. Introduction ............................................................................................................... 79 Table des matières iv III.4.2. Discrétisation du modèle Crossover.......................................................................... 80 III.4.3. Partition et détermination de la bande passante ........................................................ 80 III.4.4. Résultats et discussions ............................................................................................. 85 III.4.4.1. Représentations des résultats obtenus par des personnes valides ....................... 85 III.4.4.2. Discussion ........................................................................................................... 93 III.4.5. Conclusion................................................................................................................. 94 III.5. Conclusion du chapitre 3................................................................................................. 94 IV. CHAPITRE 4 : APPLICATION DU MODELE OPCM ........... 96 IV.1. Introduction..................................................................................................................... 96 IV.2. Formulation du modèle OPCM....................................................................................... 97 IV.2.1. Introduction............................................................................................................... 97 IV.2.2. Représentation d’état discrète de l’élément contrôlé ................................................ 98 IV.2.3. Représentation d’état des échantillons de la trajectoire.......................................... 100 IV.2.4. Représentation globale du système......................................................................... 100 IV.2.5. Conclusion .............................................................................................................. 104 IV.3. Méthodologie suivie pour l’application du modèle OPCM.......................................... 104 IV.3.1. Description fonctionnelle de l’interface graphique................................................. 104 IV.3.2. Réglage des paramètres du modèle......................................................................... 107 IV.3.3. Conclusion .............................................................................................................. 107 IV.4. Résultats et discussion .................................................................................................. 107 IV.4.1. Introduction............................................................................................................. 107 IV.4.2. Procédure expérimentale......................................................................................... 108 IV.4.3. Résultats obtenus sur des personnes valides........................................................... 109 IV.4.3.1. Représentation des résultats en relation avec l’environnement009 .................. 109 IV.4.3.2. Représentation des résultats en relation avec l’environnement010 .................. 115 IV.4.4. Discussion ............................................................................................................... 120 IV.4.5. Illustration de l’application future du modèle OPCM sur des personnes handicapées ............................................................................................................. 121 IV.4.5.1. Introduction....................................................................................................... 121 IV.4.5.2. Représentation des résultats en relation avec les environnements 002 et 006................................................................................................................. 122 IV.4.5.3. Discussion ......................................................................................................... 125 IV.4.6. Conclusion .............................................................................................................. 125 IV.5. Conclusion du chapitre 4............................................................................................... 126 CONCLUSION ET PERSPECTIVES.......................................................... 127 BIBLIOGRAPHIE.................................................................................................... 129 Liste des figures v Liste des figures Figure I.1 : Variables affectant le système pilote-véhicule (d’après [MCRU67])................... 10 Figure I.2 : Voies internes de l’opérateur humain dans le système homme-machine [MCRU80]. ......................................................................................................... 12 Figure I.3 : Modèle à trois niveaux de performance de l’opérateur humain............................ 17 Figure I.4 : Synoptique d’une tâche de compensation. ............................................................ 19 Figure I.5 : Le modèle OCM (d’après [KLEI70]).................................................................... 24 Figure I.6 : Schéma bloc du modèle OPCM présenté par MacAdam [GUO93]...................... 30 Figure I.7 : Acquisition des données (modèle OPCM d’après [SHAR01])............................. 31 Figure I.8 : Structure du contrôleur optimal discret (modèle OPCM [SHAR01])................... 32 Figure I.9 : Structure du système pilote-véhicule / trajectoire avec formulation de la commande optimale ultérieure (modèle OPCM [SHAR01]).............................. 33 Figure I.10 : Représentation de la distance et de la direction dans un parcours circulaire. ..... 37 Figure I.11 : Schéma synoptique d’une situation de conduite du fauteuil (d’après [FUJI05])............................................................................................... 39 Figure I.12 : Implémentation d’un correcteur PI à la sortie du joystick (d’après [FUJI05])............................................................................................... 39 Figure I.13 : Exemple de simulateur rudimentaire de conduite sur fauteuil [SIMO95]. ......... 42 Figure I.14 : Simulateur de fauteuil électrique à plate forme mobile [NINI06]. ..................... 42 Figure II.1 : Bloc diagramme du fauteuil électrique Storm instrumenté.................................. 45 Figure II.2 : Fauteuil à traction avant (a), fauteuil à propulsion (c) et fauteuil mixte (b)............................................................................................. 46 Figure II.3 : Fauteuil roulant électrique ‘Storm’ instrumenté. ................................................. 47 Figure II.4 : Capteur de souffle (a), Contacteur sensible sur flexible (b) [HMCP]. .............. 48 Figure II.5 : Joystick standard (a), Commande au menton (b), Commande au pied (c) [HMCP]............................................................................................................... 48 Figure II.6 : (a) joystick utilisé sur le simulateur; (b) joystick monté sur le fauteuil réel..... 49 Figure II.7 : Posture q du prototype : ( ) ( ) ( ) [ ] T t t y t x q θ , , = ....................................................... 49 Figure II.8 : Convention de signe pour l’angle de rotation d’une roue motrice....................... 50 Figure II.9 : Posture du fauteuil par rapport à un repère global ( ) 0 ℜ ...................................... 51 Figure II.10 : Variation de la posture du fauteuil entre deux instants d’échantillonnage. ....... 52 Figure II.11 : Système de référence pour l’analyse de la dynamique du fauteuil.................... 54 Figure II.12 : Déplacement du fauteuil sur une surface inclinée d’un angle ψ........................ 55 Figure II.13 : Représentation des principales composantes du simulateur. ............................. 58 Figure II.14 : Interface utilisateur pour le choix des paramètres. ............................................ 59 Figure II.15 : Représentation de différents environnements dans l’ordre croissant de difficulté. ........................................................................................................ 60 Figure II.16 : Affichage des différents paramètres dans la fenêtre de l’environnement test. ...................................................................................................................... 61 Figure II.17 : Visualisation de l’interface utilisateur à l’arrivée. ............................................. 62 Figure II.18 : Environnement simulé avec 3 parcours différents............................................. 64 Figure II.19 : Comparaisons entre des trajectoires réalisées sur le fauteuil réel et sur le simulateur............................................................................................................ 66 Figure III.1 : Schéma fonctionnel d’un système de compensation et de poursuite par l’opérateur humain (d’après [MCRU67]). .......................................................... 68 Figure III.2 : Tâche de compensation pour la détermination de des paramètres du modèle Crossover............................................................................................................. 71 Liste des figures vi Figure III.3 : Allure de la fonction de forçage. ........................................................................ 73 Figure III.4 : Spectre de fréquence de la fonction de forçage. ................................................. 74 Figure III.5 : Différents signaux obtenus après un test correspondant à ωi = 2.5 rad/s........... 75 Figure III.6 : Bloc Simulink pour l’acquisition et l’enregistrement des différents signaux..... 76 Figure III.7 : Interface graphique utilisée pour le calcul de ωc et τe......................................... 77 Figure III.8 : Mesure de ωc en fonction de ωi : (a) valeurs présentées dans [MCRU67]), (b) : valeurs mesurées dans notre expérimentation............................................. 77 Figure III.9 : Mesure de τe en fonction de ωi : (a) valeurs présentées dans [MCRU67] (b) : valeurs mesurées dans notre expérimentation............................................. 79 Figure III.10 : Représentation de la trajectoire de référence scindée en plusieurs parties....... 81 Figure uploads/Management/ modelisation-du-systeme-pilote-vehicule-dans-une-tache-de-controle-manuel-dun-fauteuil-roulant-electrique.pdf