Véhicule Intelligent Coopération et Interface Homme-Machine CHM & IHM

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1 Véhicule Intelligent Coopération et Interface Homme-Machine CHM & IHM S. MAMMAR / L. NEHAOUA M2 GEII - VISE 16/10/2012 1/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

2 CHM : Contexte général un système homme-machine (SHM) est une synthèse fonctionnelle entre un homme et un système technologique [Johannsen, 1982] chaque tâche à réaliser par un opérateur humain mobilise une charge de travail. charge de travail : le niveau d activité mentale, sensorimotrice et physiologique de l opérateur, nécessaire pour accomplir une tâche donnée [Sperandio, 1972]. Si les contraintes générées par une tâche nécessitent un niveau d activité (ou une charge de travail) dépassant les capacités de l homme : alors le système n est plus pilotable par l opérateur humain, pour cela, il faut automatiser une partie de cette tâche. par conséquent, le rôle de l opérateur humain dans le SHM se modifie selon le degré d automatisation (DA) de la machine. 2/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

3 CHM : Contexte général la coopération homme-machine (CHM) a pour objectif de définir, prototyper et évaluer les interactions entre l automatisme (machine) et le conducteur du véhicule (homme). déterminer comment attribuer à chaque instant : tout ou partie du contrôle au véhicule au regard de la situation de conduite, des souhaits du conducteur, critères d attribution : capacités fonctionnelles du conducteur (état physique et mental), capacité de la machine (DA et d autonomie), 3/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

4 CHM : Caractéristiques on distingue cinq modèles caractérisant les DA progressifs dans un SHM : depuis la commande totalement manuelle jusqu à l automatisation complète, [Sheridan, 1984] chaque modèle contient trois niveaux : 1 niveau le plus bas : correspond à la gestion des processus, capteurs et actionneurs, 2 niveau de l automatisme : inclut les fonctions automatisées et les interfaces homme-machine (IHM), 3 niveau supérieur : où se situe l opérateur humain. les fonctions à répartir entre le niveau 2 (automatisme) et le niveau 3 (humain) sont : fonctions tactiques : type contrôle/commande (régulation, optimisation, etc.) fonctions stratégiques : type de décisions (stratégies de conduite, décision en cas d incidents, replanification de trajectoires, etc.). augmenter le DA consiste à attribuer progressivement aux automatismes, d abord les fonctions tactiques, puis les fonctions stratégiques. 4/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

5 CHM : Caractéristiques humain automat isme procédé Figure: les DA dans les SHM, décrits par Sheridan. Trois niveaux : humain, automatisme et procédé. Trois grands modèles d automatisation. 5/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

6 ()'' CHM : Caractéristiques "##$%&' &' *+! humain &',' &'-) automat (,.,/,/ &' isme procédé Figure: les DA dans les SHM, décrits par Sheridan. Trois niveaux : humain, automatisme et procédé. Cinq modèle d automatisation : le 1 er modèle de contrôle manuel. 6/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

7 H56I49DD1;84 CHM : Caractéristiques?@@98A1B48:;36CD4 8:;36CD4 JK8979:; H56I49DD1;84 <=>?@@98A1B48:;36CD4 8:;36CD4 JK8979:; E61934F4;3G4 <=> :;; :;;4567 F9744;@:6F4 humain 0:;36CD4F1;54D 0:;36CD4G475246I979:; automat H4F9L153:F139M54 153:F139M54 0:;36CD4 isme procédé Figure: les DA dans les SHM, décrits par Sheridan. Trois niveaux : humain, automatisme et procédé. Cinq modèle d automatisation : le 1 er et le 2 ème modèle de contrôle manuel. Augmenter le DA consiste à attribuer progressivement aux automatismes, d abord les fonctions tactiques, puis les fonctions stratégiques. 7/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

8 fstgrw OYVR CHM : Caractéristiques c]]wvdoervxyqt^_r VXYQT^_R hivwuwxy fstgrw OYVR àb c]]wvdoervxyqt^_r VXYQT^_R hivwuwxy ZTOWQR[RYQ\R àb NOPQRSTUOVQWXYYRSTUNOPQRSTUOVQWXYYRSTUNOPQRSTUOVQWXYYRSTU [WURRY]XT[R c]]wvdoervxyqt^_r NXYQT^_RPOTQWR_ fstgrw OYVR hivwuwxy [WURRY]XT[R àb humain NXYQT^_R[OYSR_ NXYQT^_R\RUSPRTgWUWXY automat fr[wjosqx[oqwksr OSQX[OQWkSR NXYQT^_R isme procédé ZTOWQR[RYQ\R NXYQT^_RPOTQWR_ Figure: les DA dans les SHM, décrits par Sheridan. Trois niveaux : humain, automatisme et procédé. Cinq modèle d automatisation : deux modèles de contrôle manuel, et le 1 er modèle de contrôle de supervision. Augmenter le DA consiste à attribuer progressivement aux automatismes, d abord les fonctions tactiques, puis les fonctions stratégiques. /32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

9 qr pu}}mwtp CHM : Caractéristiques {{ut mƒptvwor }p tvwor }p tusuvw qr pu}}mwtp ~ {{ut mƒptvwor }p tvwor }p tusuvw xrmuopypwozp ~ lvwor }pnmroup} qr pu}}mwtp tusuvw lmnopqrsmtouvwwpqrslmnopqrsmtouvwwpqrslmnopqrsmtouvwwpqrslmnopqrsmtouvwwpqrs yusppw{vryp yusppw{vryp ~ qr pu}}mwtp {{ut mƒptvwor }p tusuvw yusppw{vryp ~ humain lvwor }pymwqp} lvwor }pzpsqnpr usuvw automat pyṷmqovymou qp mqovymou qp lvwor }p isme procédé lvwor }pnmroup} {{ut mƒptvwor }p xrmuopypwozp lvwor }p Figure: les DA dans les SHM, décrits par Sheridan. Trois niveaux : humain, automatisme et procédé. Cinq modèle d automatisation : deux modèles de contrôle manuel, et deux modèles de contrôle de supervision. Augmenter le DA consiste à attribuer progressivement aux automatismes, d abord les fonctions tactiques, puis les fonctions stratégiques. 9/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

10 Ž Ž CHM : Caractéristiques Ÿ Ž š Ž š Ž Ž Ž œ ž Ÿ š Ž Ž Ž Ž Ž š Ž œ ž Š š ŽŒ Ž Ž Ž Š Œ Ž Ž Š Œ Ž Ž Š Œ Ž Ž Š Œ Ž Ž Š Œ Ž Ž ŽŽ Ž ŽŽ Ž œ ž Ž Ž ŽŽ Ž œ ž œ žÿ Ž Ž ŽŽ Ž Ž humain Š š Ž Ž Š š Ž Ž ŒŽ automat Ž Ž Ž Š š Ž isme procédé Ž Ž Ž Š š ŽŒ Ž Ÿ Ž š Ž Ž Ž Ž Ÿ Š š Ž Ž š Ž Ž Ž Ž Š š Ž Figure: les DA dans les SHM, décrits par Sheridan. Trois niveaux : humain, automatisme et procédé. Cinq modèles d automatisation : deux modèles de contrôle manuel, deux modèles de contrôle de supervision et un modèle de contrôle automatique. Augmenter le DA consiste à attribuer progressivement aux automatismes, d abord les fonctions tactiques, puis les fonctions stratégiques. 10/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

11 CHM : Caractéristiques La prise en compte de ces différentes caractéristiques est essentielle dans un processus d automatisation centré sur l homme. Elles caractérisent le comportement effectif des opérateurs et dimensionnent les interactions entre ces derniers et les outils d aide à implémenter. Malheureusement, il n existe pas à l heure actuelle de modèles formels du comportement humain fiables sur lesquels on puisse se baser pour calibrer à la fois les aides et les interactions avec ces aides. ẋ = f(x, u, t)! Figure: Source : Ingénierie des Connaissances et Sciences Cognitives, 1ere journée Sciences Cognitives & Intelligence Artificielle (AFIA & ARCo), Paris /32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

12 CHM : Classes les procédés industriels continus : centrale thermique, centrale nucléaire ou retraitement de combustible nucléaire. Ils présentent un haut DA. les procédés industriels discrets : les systèmes automatisés de production. Ils comportent un haut DA. les engins mobiles : peuvent présenter un haut DA (les avions, les navires) ou un faible DA (automobiles). le contrôle de trafic (trafic aérien, les lignes de bus, de métro ou de train) présente un très faible DA, sauf pour les lignes de métro automatique. les systèmes téléopérés : sont, soit souvent complètement manuel, soit automatisé et dans ce cas le DA évolue au cours d une mission et nécessite une planification hors ligne (chirurgie robotisée, déminage). 12/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

13 CHM : résolution de problème Dans les systèmes fortement automatisés, l opérateur n est plus en contact direct avec la machine. Il doit se construire une représentation mentale du système. Pourquoi? une représentation mentale permet d avoir une description interne correcte de la situation. cette représentation appelée conscience de la situation (Situation Awareness); elle correspond à une perception des différents variables du procédé [Endsley, 1997]. elle permet à l opérateurs de déterminer les actions à entreprendre pour obtenir un comportement en sortie. les représentations mentales peuvent ne pas être objectives. Les éléments importants sont amplifiés alors que les éléments secondaires sont négligés. Dans le contrôle de trafic aérien, les contrôleurs anticipent la position réelle des vols. Les trajectoires de vols en conflit étaient déformés, rendant le point de croisement plus proche qu on réalité. Néanmoins, ces représentations mentales permettent à l opérateur de choisir, en fonction de l état du système à travers des interfaces d affichage, les modes opératoires nécessaires. 13/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

14 CHM : résolution de problème situation de conflit : le conducteur veut prendre la sortie alors que l automate essaie de le maintenir sur la voie. Même chose pour la manoeuvre de dépassement. Il faut transposer les mécanismes décisionnels humains vers l automate. Automate conducteur!! 14/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

15 CHM : résolution de problème résoudre un conflit nécessite un choix parmi les modes opératoires disponible. On parle donc du comportement décisionnel de l opérateur humain [Rasmussen 1983]. un comportement basé sur l habileté (skill based behavior) dans lequel l opérateur exécute les actions nécessaires de façon quasi automatique. un comportement basé sur des règles (rule based behavior) dans lequel l opérateur choisit, face à une situation familière, un ensemble de règles prédéfinies. un comportement basé sur la connaissance (knowledge based behavior) dans lequel l opérateur invente une stratégie et choisit la mieux adaptée pour faire face à une situation nouvelle ou imprévue. La notion de compréhension de la situation par des opérateurs humain est un élément primordial à prendre en compte dans le processus d automatisation. L introduction d assistances à la décision doit permettre aux opérateurs de comprendre le procédé. 15/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

16 CHM : résolution de problème Figure: Modèle de résolution de problème de Rasmussen 16/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

17 CHM : choix d automatisation Pourquoi et quand automatiser? approche humaniste : automatiser les tâches pénibles, ennuyeuses ou encore risquées, approche économiste : automatiser lorsque l automatisation revient moins chère que l homme. L automatisation ne doit pas consister à retirer une partie des tâches à l homme au profit de la machine, sans au préalable vérifier que l opérateur puisse continuer à maîtriser le procédé et les situations qu il a à gérer [Goettl, 1991]. Il faut maintenir l opérateur dans la boucle de contrôle/commande. Automatiser consiste à concevoir un système qui accomplit partiellement ou totalement une fonction qui était ou pourrait être partiellement ou totalement réalisée par un opérateur humain [Parasuraman, Sheridan, 2000]. Augmenter les interactions entre l opérateur et le système. Ces interaction posent d autres problèmes! 7/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

18 CHM : choix d automatisation Figure: Spectre d automatisation avec les différentes implications de la part de l opérateur et de la machine dans le contrôle du système Homme-Machine [Kopf94]. 18/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

19 CHM : conception d un SHM la conception d un SHM relève de domaine de la conception centré sur humain (Human Centered Design). La conception d un système homme-machine nécessite [Riera, Debernard, 2001] la définition des objectifs du système global d une part, et de critères permettant l évaluation de performance, l identification des alternatives fonctionnelles et structurelles permettant d atteindre ces objectifs, l analyse des différents agents impliqués en définissant leurs entrées sorties, les fonctions ou tâches à réaliser, et les interfaces de communication entre eux. Les méthode de conception centrée sur l humain sont régies par des normes : ISO 13407, /32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

20 CHM : définition Le concept de CHM reste encore à l heure actuelle mal défini. Une définition plus opérationnelle de la coopération a été proposée dans [Hoc, 2001]. Deux agents impliqués dans la conduite d un système sont en situation de coopération si : 1 ils poursuivent chacun des buts qui peuvent entrer en interférence, soit au niveau des résultats, soit au niveau des procédures. 2 ils font en sorte de traiter ces interférences pour que les activités de chacun soient réalisées de façon à faciliter les activités de l autre. le but des différents agents est en général commun, les agents peuvent modifier leur représentation des situations en fonction de l autre, chaque agent réalise une activité/fonction que l autre n est pas capable de réaliser, il existe un minimum d informations partagées permettant la gestion des interférences et la connaissance des buts de l autre. 20/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

21 CHM : Approches deux structures coopératives [Millot, 1988] : 1 coopération verticale : l opérateur humain est le seul à pouvoir agir sur le procédé. Il est assisté par des outils (interfaces, aide au diagnostic, etc.) mais c est l opérateur qui a la responsabilité du choix des actions à exécuter. Bien adapté aux procédés fortement automatisés dans lesquels la charge de travail des opérateurs est le plus souvent très faible. 2 coopération horizontale : l ensemble des tâches à réaliser est réparti de façon dynamique entre l opérateur humain et l outil d aide selon des critères (performance, charge de travail). L outil d assistance est une aide à la décision et aussi une aide à l action. Ce type de coopération est plus adapté aux procédés où la charge de travail des opérateurs varie fortement. 1/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

22 CHM : Approches Objectifs Conducteur: décisions Véhicule Comportement calculateur: décisions Figure: coopération verticale : l opérateur humain est le seul responsable des différentes actions. Il est juste aidé par les décisions du calculateur. Objectifs Conducteur: décisions Véhicule Comportement calculateur: décisions Figure: coopération horizontale : les actions sont réparties entre l operateur et la machine suivant des critères de partage. 2/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

23 CHM : Systèmes d aide à la conduite (DAS) Durant la conduite, le conducteur accomplit de manière plus ou moins consciente différentes tâches classées suivant trois niveaux hiérarchiques : Navigation, Guidage et Stabilisation [KOPF, 1994]. la navigation : tâche de niveau le plus élevé, concerne la planification de trajet (choix d un itinéraire). elle est liée à la connaissance que possède le conducteur du parcours, plus le parcours est connu moins cette tâche est sollicitée. avec l introduction des navigateurs GPS, cette tâche a tendance à être extériorisée. le guidage : consiste à exécuter la trajectoire planifiée tout en s adaptant à l environnement de conduite. la stabilisation : tâche de fréquence la plus élevée. elle regroupe les actions de commande du conducteur (braquages/accélérations) permet de maintenir le véhicule dans un enveloppe de sécurité. 23/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

24 CHM : Systèmes d aide à la conduite (ADAS) L objectif d un DAS est de réduire le nombre d accidents routiers et aussi d alléger la tâche de conduite du conducteur [Rajamani, 2006]. Ces systèmes adoptent de multiples formes et de multiples degrés d assistance [Flemisch, 2008]. stabiliser le véhicule en agissant à un bas niveau de commande. le véhicule doit rester stable et commandable par le conducteur, ABS : anti-blocage des roues lors d un freinage, ESP : garantir la stabilité du véhicule (virage, évitement d obstacle). 4WS : optimiser la trajectoire du véhicule dans un virage avec les quatre roues directionnelles, ASR : éviter le patinage des roues. ces systèmes s appuient sur les seules informations véhicule (états). ils négligent les informations sur l environnement et le conducteur ils ne sont pas en mesure de juger les actions du conducteur. afin d accroître le niveau de sécurité des véhicules : introduction des ADAS : apporter au conducteur une aide à la navigation, auto-diagnostic et d avertir le conducteur. 24/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

25 CHM : Systèmes d aide à la conduite (ADAS) Deux familles d ADAS : systèmes passifs et actifs. systèmes passifs : alerter le conducteur. évaluer la situation de conduite : plusieurs indicateurs de risque [Mammar, 2005]. SAVV (CSWS) : Système d Alerte de Vitesse excessive en Virage, SADL (LDWS) : Système d Alerte d une Dérive involontaire en Latéral, AFIL : Alerte de Franchissement Involontaire de Ligne, ASR : éviter le patinage des roues. systèmes actifs : assister le conducteur et copiloter le véhicule avec lui. systèmes d assistance au contrôle longitudinal : vitesse de croisière, inter-distance (ACC), limiter la vitesse, arrêt et redémarrage (Stop & go). systèmes d assistance au contrôle latéral : maintien de voie (ESP, LKS), changement de voie. une assistance conçue sans la prise en compte du conducteur, est plutôt problématique que bénéfique pour le conducteur [Goodrich, 2000]. 25/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

26 CHM : partage du contrôle quand intervenir pour assister le conducteur, comment et à quel degré? quel effet aura cette intervention sur le conducteur? qui porte la responsabilité de la conduite? six modes de coopération (projet ARCOS : LIVIC et L IRCCYN) 1 mode instrumenté : fournir des informations, 2 mode avertissement : traitement élaboré de l information (diagnostic, alerte) pour détecter des situations de risque, 3 mode limite : les actions du conducteur sont limitées, 4 mode médiatisé : les actions du conducteur ne sont pas directement transmises aux organes, 5 mode régulé : certaines tâches de conduite sont complètement déléguées au contrôleur. 6 mode automatisé : le conducteur est complètement déchargé du processus de conduite. deux approche de coopération : 1 coopération au niveau de l action : [Goodrich, Griffiths, Holzman, Enache, Sentouh, 2010]. 2 coopération au niveau de la planification : [Thorsten, Flemisch, 2003]. 6/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

27 CHM : modes de coopération Figure: timing et modes d intervention des ADAS. Source : PRAC2010, Prévention des Risques et Aides à la Conduite, Paris /32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

28 CHM : métaphore du cheval Figure: rien à avoir. Figure: Métaphore du cheval (H-metaphor). 28/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

29 CHM : métaphore du cheval fournit une directive pour le contrôle partagé d un véhicule entre le conducteur et l assistance, cela en comparant l interaction entre le conducteur et le véhicule à l interaction entre un cavalier et son cheval [Flemisch, 2003]. l idée principale est : d avoir une alternance continue de la tâche de conduite entre le conducteur et le véhicule. bride sur le cou caractérise un mode où le cavalier pourrait être distrait, c est donc le cheval qui est en charge de se déplacer en toute sécurité sur la route et de ne pas entrer en collision avec les obstacles. bride serrée, le pilote indique qu il est conscient de la situation, il peut forcer le cheval à engager des actions (saut) que le cheval ne saurait pas ou n aurait pas exécuté de sa propre initiative. la réalisation d une telle interface de coopération nécessite l introduction d éléments actifs au niveau des actionneurs que manipule le conducteur (volant et pédale d accélération). le projet européen HAVEit : conduite avec un degré DA plus élevé. 29/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

30 CHM : référence [Enache, 2008] assistance préventive à la sortie de voie. PhD thesis, Université d Evry. [Endsley, 1997] controller situation awareness in free flight, proc. of the Human Factors and Ergonomics Society. [Flemisch, 2003] the H-Metaphor as a guideline for vehicle automation and interaction. NASA Langley Research Center. [Flemisch, 2008] cooperative control and active interfaces for vehicle assistance and automation. FISITA, World automotive Congress. [Goettl, 1991] attention, workload and automation. Automation and systems issue in air traffic control. [Goodrich, 2000] designing human-centered automation : Tradeoffs in collision avoidance system design. IEEE Trans. ITS. [Griffiths, 2004] shared control between human and machine : haptic display of automation during manual control of vehicle heading. Symp. on Haptic Interfaces. [Hoc, 2001] towards a cognitive approach to human-machine cooperation in dynamic situations. Int. J. of Human-Computer Studies. [Holzman, 2006] adaptive cooperation between assistance system and driver to improve the road safety. PhD thesis, Ecole polytechnique fédérale de Lausane. [Johannsen, 1982] man-machine systems, introduction and background. IFAC cong. on Analysis, Design and Evaluation of Man-machine systems. [KOPF, 1994] a contribution to model-based adaptive driver support for driving on the German Autobahn progress reports VDI, Verlag. 0/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

31 CHM : référence [Mammar, 2005] méthodes de l automatique pour l assistance et l automatisation de la conduite automobile. JNRR05. [Millot, 1988] supervision des procédés automatisés et ergonomie. Ed. Hermès. [Parasuraman, Sheridan, 2000] a model for types and levels of human interaction with automation. IEEE Trans. SMC. [Rajamani, 2006] vehicle dynamics and control. Springer. [Rasmussen 1983] skills, rules and knowledge : signals, signs and symbols, and other distinctions in human performance models. IEEE Trans. SMC. [Riera, Debernard, 2001] human-machine cooperation and supervisory control of automated processes. IEEE Int. conf. on Emerging Technologies and Factory Automation. [Sentouh, 2010] toward a shared lateral control between driver and steering assist controller. IFAC symp.on analysis, Design, and evaluation of Human-Machine Systems. [Sheridan, 1984] telerobotics, automation, and human supervisory control. Cambridge, MA : MIT Press. [Sperandio, 1972] charge de travail et variations des modes opératoires. PhD Université Paris 6. [Thorsten, 2007] combining haptic human-machine interaction with predictive path planning for lanekeeping and collision avoidance systems. IEEE IV. 31/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent

32 Glossaire ACC : Auto-Cruise Control (Régulateur auto-adaptatif de vitesse) ADAS : Advanced Driver Assistance System (Systèmes d aide à la conduite avancé) AFIL : Alerte de Franchissement Involontaire de Ligne ASR : Anti Slip Regulation CHM : coopération Homme-Machine CSWS : Curve Speed Warning Systems (SAVV : Système d Alerte de Vitesse excessive en Virage), DA : Degré d Automatisation DAS : Driver Assistance System (Systèmes d aide à la conduite) IHM : Interface Homme-Machine IRCCYN : Institut de Recherche en Communications et CYbernétique de Nantes HMI : Interaction Homme-Machine LDWS : Lane Departure Warning System (SADL : Système d Alerte d une Dérive involontaire en Latéral) LIVIC : Laboratoire Interactions Vehicules-Infrastructures-Conducteurs LKS : Lane-Keeping System SHM : Système Homme-Machine 2/32 S. MAMMAR / L. NEHAOUA Véhicule Intelligent