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Synthèse et transition
Le phénomène de sortie de boucle est un phénomène cognitif découlant de l’automatisation partielle ou totale de la tâche de conduite. En plus d’une neutralisation de la boucle de contrôle opérationnelle du véhicule, qui affecte les processus perceptivo-moteurs, l’automatisation peut induire un défaut de surveillance de la scène de conduite, altérant la conscience de la situation. Les conséquences de cette sortie de boucle peuvent être étudiées relativement au comportement des conducteurs lors d’une situation critique. Un conducteur hors de la boucle aura ainsi tendance à prendre plus de temps à reprendre le contrôle du véhicule, et une fois récupéré, à maintenir son véhicule en sécurité de façon appropriée. La sortie de boucle affecte ainsi clairement à la fois le temps et la qualité de la reprise en main. De plus, la sortie de boucle semble être un phénomène qui s’amplifie avec la durée d’automatisation, et qui se met en place même pour des durées d’automatisation relativement faibles (environ 20 minutes).
SYNTHESE DE LA PREMIERE PARTIE
Synthèse de la première partie
Cette première partie de l’état de l’art est dédiée à la description de l’activité de conduite et à ses modifications induites par la délégation de la tâche de conduite à un automate.
L’automatisation progressive de la tâche de conduite amène les conducteurs de plus en plus hors de la boucle, dans la mesure où ils ne contrôlent plus le véhicule ni ne surveillent la scène de conduite. Ce phénomène de sortie de boucle impacte la sécurité des conducteurs lors d’évènements critiques pouvant subvenir sur la route, lorsque les limites du système autonome sont atteintes. Ces conséquences sur leur sécurité sont d’autant plus importantes que la durée d’automatisation est forte.
Par conséquent, afin de garantir la sécurité des conducteurs en conduite autonome, des systèmes permettant de « remettre » le conducteur dans la boucle (système d’autorisation à doubler, module d’interaction homme-machine reproduisant la scène de conduite lors d’une tâche secondaire, etc.) peuvent être envisagés. Pour autant, de tels systèmes dans lesquels le conducteur doit être actif (autorisation à doubler) ou même passif (IHM) tendent à réduire l’intérêt d’une conduite automatisée pour le conducteur. Une autre façon de garantir la sécurité des conducteurs serait d’adapter l’automatisation des véhicules à l’état du conducteur dans la boucle de conduite. Par exemple, en augmentant les distances de sécurité du véhicule autonome lorsque le conducteur est hors de la boucle. Cependant, il faut pour ce faire parvenir à définir un état du conducteur dans la boucle de conduite.
Étant donné la définition de la sortie de boucle, la supervision de la scène de conduite par le conducteur revêt une importance particulière. De ce fait, pour définir l’état du conducteur dans la boucle, il est nécessaire d’analyser la façon dont celui-ci traite la scène visuelle, ce qui peut être réalisé en analysant directement ses stratégies visuelles.
État de l’art – Stratégies visuelles
La partie précédente a permis de définir l’activité de conduite selon trois niveaux de conduites : le niveau opérationnel, tactique et stratégique. Les informations sont traitées et échangées entre les niveaux à partir d’entrées environnementales, dont la nature va maintenant être développée. Si ces entrées sensorielles sont basées sur l’ensemble des sens humains, la tâche de conduite est essentiellement visuelle (Michaels, 1963 ; Sivak, 1996).
La seconde partie de cet état de l’art se concentre donc sur les stratégies visuelles déployées par les conducteurs. Dans un premier temps (section B.1), le cadre général permettant l’étude des stratégies visuelles dans des situations naturelles différentes de la conduite sera présenté. Dans un second temps (section B.2), nous montrerons comment les stratégies visuelles des conducteurs en conduite manuelle s’inscrivent dans ce cadre. Ensuite (section B.3), la modification des stratégies visuelles induite par la conduite autonome sera développée. Enfin, le lien entre les stratégies visuelles et la sortie de boucle sera évoqué dans la section B.4).
Cas général
Attention visuelle et mouvements oculaires
Si les informations visuelles sont disponibles sur un champ de vision d’environ 180°, l’homme n’est attentif qu’à une partie de son environnement. L’attention est le processus cognitif qui lui permet de sélectionner des informations visuelles (Desimone & Duncan, 1995). Cette sélection ne se fait pas au hasard, mais dépend essentiellement de la tâche exécutée et/ou des caractéristiques physiques de l’environnement. Ainsi, différents processus de l’attention ont été développés dans la littérature. D’une part, les processus bottom-up dépendent directement de l’environnement visuel, et s’appuient uniquement sur les propriétés physiques de l’environnement. Ces propriétés physiques (la couleur, l’intensité et l’orientation selon Itti & Koch ; 2001) sont combinées pour créer une carte de saillance de la scène visuelle. L’attention visuelle est ensuite affectée de manière dynamique dans l’ordre décroissant de saillance (c’est-à-dire des éléments les plus saillants à ceux les moins saillants).
D’autre part, l’attention implique des processus top-down renvoyant directement à la fonction et à la position des objets dans une scène. De ce fait, les processus top-down sont lié aux buts de l’utilisateur et aux bénéfices qu’il y a à les traiter. Ainsi, ils dépendent de la tâche effectuée par l’utilisateur, mais aussi des connaissances a priori sur les objets présents. Ces processus sont prioritaires lors de tâches dynamiques (Land & Hayhoe, 2001), comme la conduite.
Dans le cadre de ce travail de doctorat, on s’intéressera uniquement à une orientation explicite de l’attention, c’est-à-dire que l’on considérera que l’attention s’exprime par des mouvements oculaires (Posner, 1980). Ces mouvements oculaires seront ici restreints aux saccades et aux fixations.
Stratégies visuelles dépendantes de la tâche
Yarbus (1967) est le premier à avoir mis en évidence les liens entre la tâche demandée à l’utilisateur et ses stratégies visuelles. En effet, en demandant à un sujet de regarder une scène visuelle, les patterns de fixations diffèrent selon la question posée (déterminer la richesse des personnes présentes sur la scène, déterminer l’âge des participants, exploration libre, etc.). Les conclusions de Yarbus ont été corroborées par plusieurs études récentes (par exemple DeAngelus & Pelz ; 2009), même si prédire directement la tâche à partir des stratégies visuelles des participants n’a pas donné satisfaction dans l’étude de Greene et al. (2012).
Avec l’émergence d’oculomètres portables, la position du regard a également pu être étudiée dans des environnements dynamiques. Dans ces environnements, la position et la dynamique du regard dépendent également fortement de la tâche qu’effectue le participant (Hayhoe & Ballard, 2005 ; Rothkopf et al., 2007). En effet, les fixations s’effectuent quasi exclusivement sur les objets pertinents au regard de la tâche. Ceci a été mis évidence pour des participants effectuant des tâches écologiques, comme faire un sandwich (Hayhoe et al., 2003 ; cf Figure B-1), servir un thé (Land et al., 1999), jouer au piano (Land & Furneaux, 1997), se laver les mains (Pelz & Canosa, 2001) ou bien marcher (Patla & Vickers, 1997).
CAS GENERAL
Des conclusions similaires sont trouvées pour des expériences en réalité virtuelle, dans lesquelles les sujets doivent manipuler des blocs (Droll et al., 2005 ; Jovancevic et al., 2006).
Plusieurs stratégies sont présentées dans la littérature pour analyser la dynamique des prises d’informations visuelles. Selon la théorie de Ballard et al. (1995), les participants passent la plupart du temps à regarder les objets uniquement au moment où ils en ont besoin (« just-in-time strategy »). En plus de cette stratégie, les participants ont également recours à l’anticipation visuelle. Des preuves expérimentales d’anticipation visuelle des participants ont également été trouvées dans Pelz & Canosa (2001) : lorsqu’ils se lavent les mains, les participants regardent le distributeur de savon quelques secondes avant de l’utiliser. Des preuves similaires ont été trouvées dans d’autres études (Hayhoe et al., 2003 ; Land et al., 1999), les participants effectuant des fixations sur les objets à attraper largement avant d’effectuer la manipulation.
Dans l’étude de Mennie et al. (2007), une dénomination est proposée pour ces fixations d’anticipation : les fixations look-ahead1. Dans ces travaux, le participant doit assembler des pièces dans un ordre séquentiel : les participants regardent la pièce suivante environ 3 s avant de la prendre en main. Pour autant, le temps entre la fixation just-in-time et la prise en main effective de l’objet ne dépend pas de l’émission (ou non) d’une fixation look-ahead. De ce fait, les fixations look-ahead n’améliorent pas les coordinations visuomotrices dans le cas d’une tâche d’assemblage de pièces.
Vision en conduite manuelle
La tâche de conduite étant une tâche essentiellement visuelle (Sivak, 1996), la vision des conducteurs a été particulièrement analysée. L’objectif de cette partie est de synthétiser les résultats présentés dans la littérature, en considérant la conduite comme un cas particulier du cas général pour des scènes dynamiques.
D’après la partie précédente, la tâche de conduite est organisée de manière hiérarchique suivant trois niveaux, dont les niveaux opérationnel et tactique sont alimentés par des informations provenant de l’environnement. Pour rappel, le niveau opérationnel met en œuvre les actions motrices décidées au niveau tactique. Dans un premier cas, on s’intéressera au cas de la conduite sans tâche annexe, puis on s’intéressera aux cas spécifiques de suivi d’un autre véhicule et de l’approche d’une intersection.
Conduite sans tâche annexe
En l’absence de sous-tâche spécifique (suivi d’un autre véhicule, discuter avec un passager, etc.), la tâche de conduite se résume à aller d’un point A à un point B en maintenant son véhicule sur la route. Dans ce cas, les conducteurs doivent assurer le contrôle de la trajectoire du véhicule. D’après les travaux de Donges (1978) et McRuer et al. (1977), ce contrôle de trajectoire est assuré à deux niveaux (pour une revue récente sur le contrôle de trajectoire, voir Lappi & Mole ; 2018).
Le premier niveau est chargé de compenser les erreurs de positionnement du véhicule sur la voie (« compensatory control »). Ainsi, à ce niveau, le conducteur agit sur le volant pour recentrer son véhicule sur la voie : les informations visuelles servent de feed-back pour l’information motrice. Les informations visuelles traitées au premier niveau utilisent des informations visuelles proches du véhicule. Elles n’impliquent pas nécessairement des fixations vers l’information pertinente, mais elle peut s’appuyer sur la vision périphérique, notamment celle des bords de voie (Land & Horwood, 1995 ; Mole et al., 2016 ; Summala et al., 1996).
Au 2e niveau, les conducteurs anticipent les changements de courbure de la route à venir (« anticipatory control »). Dans ce cas, ils déploient des stratégies visuelles permettant d guider les futures actions motrices, notamment les actions sur le volant. Land & Lee (1994) apportent la preuve de la nécessité d’une coordination visuomotrice en comparant, dans le temps, les angles au volant et les angles visuels des conducteurs (cf Figure B-2). Dans cette étude, les conducteurs anticipent les changements de courbure (dus aux virages) par leur dynamique oculomotrice, puis agissent sur le volant (modifiant ainsi l’angle au volant) avec un décalage d’environ 0,75 s.
L’angle visuel précède l’action sur le volant d’environ 0,75 s.
Cette étude de Land & Lee (1994) constitue la base de l’étude du contrôle visuel de trajectoire. Les auteurs suggèrent que lors d’un virage, les conducteurs regardent principalement le point tangent, qui est un point particulier situé sur le bord de la voie. L’angle entre la direction de ce point et la direction du véhicule dépend à chaque instant de la géométrie du virage à venir. Au contraire, d’autres études suggèrent que le conducteur regarde plutôt un point de sa trajectoire prévue dans 1 à 2 s (Lappi et al., 2017 ; Wann & Swapp, 2000 ; Wilkie et al., 2010). Salvucci & Gray (2004) proposent un modèle combinant des regards du conducteur sur un point proche (généralement le centre de la voie pour gérer l’aspect compensatoire du contrôle de trajectoire) et d’un point plus lointain sur la trajectoire future (anticipation du contrôle de trajectoire). Toutefois, ils précisent que le point lointain peut s’ajuster selon la situation de conduite (point tangent, autre véhicule dans le cas d’un suivi de véhicule, etc.). Enfin, Mars & Navarro (2012) ont proposé que le conducteur regarde des points sur la voie circulation, souvent à proximité du point tangent, qu’il ne veut pas franchir, définissant ainsi une enveloppe de trajectoires acceptables. Les différentes localisations proposées sont présentées sur la Figure B-3.
Si la localisation précise des regards diffère selon les auteurs, tous s’accordent à dire que les fixations à ces endroits permettent le guidage du véhicule en assurant la coordination visuomotrice. De ce fait, ces fixations sont nommées fixations de guidage (ou « guiding fixations »), et alimentent les coordinations visuomotrices au niveau opérationnel de la conduite. Ces fixations de guidage sont centrales vis-à-vis du conducteur, et constituent la majeure partie des prises d’informations visuelles en conduite manuelle. Ceci a été prouvé à par exemple en considérant des indicateurs de distractions, comme le « percentage road centre » (PRC) proposé par Victor (2005). Dans cette étude, une zone d’intérêt circulaire (rayon de 8° d’angle visuel) et centrée sur l’angle visuel le plus souvent adopté par le conducteur définit le centre de la route. Cette zone capture l’ensemble des fixations de guidage. Les auteurs ont ensuite calculé le pourcentage de fixations dans cette zone (PRC). Sur route ouverte et en conduite manuelle, Victor et al. (2005) ont montré que les conducteurs passaient entre 70 à 80 % du temps dans cette zone (voir également Carsten et al. ; 2012). Sur simulateur de conduite, Rydström (2007) obtient jusqu’à 90 % des regards dans cette zone.
En plus de ces fixations de guidage, des études ont prouvé que les conducteurs anticipaient également à plus long terme. En utilisant les angles visuels du conducteur, Mars & Navarro (2012) montrent ainsi que les conducteurs dirigent des regards au-delà de la route immédiate, réemployant pour la première fois le terme de fixations look-ahead. De tels comportements visuels ont également été trouvés sur route ouverte (Kandil et al., 2010 ; Lappi, 2014, 2016 ; Lehtonen et al., 2013, 2014). Par exemple, Kandil et al. (2010) ont montré que plus d’un tiers des regards étaient dirigés au-delà de la sortie du virage.
Pour autant, la définition des fixations look-ahead diffère selon les études. Mars & Navarro (2012) proposent que ces fixations servent essentiellement à anticiper des éléments de contexte, comme des objets ou dangers en amont (alimentant donc principalement le niveau tactique). Lehtonen et al. (2013) considèrent au contraire les fixations look-ahead comme servant à un contrôle étendu de trajectoire (alimentant donc principalement le niveau opérationnel). Cette thèse a été reprise par Lappi & Mole (2018) dans leur papier de synthèse sur les coordinations visuomotrices en situation de conduite. Les auteurs considèrent qu’effectuer ces fixations look-ahead, par alternance avec des fixations de guidage, étend l’horizon du contrôle de trajectoire jusqu’au point d’atterrissage de la fixation look-ahead. Dans ce cas, l’émission de fixations look-ahead permet de mettre à jour le modèle interne de la route à venir et de planifier le mouvement à venir. Cette distinction faite concernant le rôle des fixations look-ahead sera discutée dans la première expérimentation (partie D).
L’information visuelle alimentant le niveau tactique est de plus haut niveau, car elle permet la prise de décision avant exécution par les conducteurs (Kaber et al., 2012 ; Lemonnier et al., 2020 ; Smiley et al., 2004 ; Underwood, Crundall, et al., 2002 ; Wong & Huang, 2013). Elle permet au conducteur de construire sa conscience de la situation de conduite et sa projection dans les instants futurs (niveau le plus élaboré de la conscience de la situation). Pour ce faire, le conducteur oriente ses regards sur différents objets d’intérêts (rétroviseurs centraux et périphériques, autres véhicules sur la route, panneaux de signalisation, feux tricolores, type de marquage au sol, piétons), dans le but de prendre sa décision. Par exemple, dans l’expérimentation de Smiley et al. (2004), l’analyse de l’attention visuelle lors d’intersections montre que, si les conducteurs passent le plus de temps à regarder la route (76 %), ils prennent également des informations sur les piétons (7 % du temps), les panneaux (7 % du temps), les rétroviseurs (3 % du temps). De même, décider de s’arrêter à une intersection va nécessiter d’avoir pris connaissance, via des informations visuelles, du trafic à venir, des panneaux de signalisation, etc. (Lemonnier et al., 2020).
En résumé, en l’absence de tâche annexe, le niveau opérationnel est alimenté par des prises d’informations proches du conducteur et lié principalement à sa vision périphérique afin de compenser, de manière continue, les écarts de position latérale du véhicule. De plus, il alterne entre des fixations de guidage (en majorité) et des fixations look-ahead pour anticiper sur la route à venir. Si la nature opérationnelle des fixations de guidage fait consensus, les fixations look-ahead pourraient alimenter à la fois les niveaux opérationnels et tactiques. Au niveau tactique, le conducteur cherche des informations visuelles lui permettant d’accéder à une conscience de la situation de conduite.
Conduite avec tâche annexe : suivi d’un véhicule
Les stratégies visuelles, bien que stéréotypées (Lappi, 2014), s’ajustent à la tâche du conducteur. Ces tâches annexes sont définies au niveau stratégique, et appliquées à la prise d’informations visuelles au niveau tactique.
Dans le cas d’un suivi de véhicule, Crundall et al. (2004) ont comparé les stratégies visuelles de conducteurs sans consigne spécifiques (groupe contrôle) à des conducteurs devant suivre un autre véhicule. Les conclusions révèlent que lors d’une situation de suivi d’un autre véhicule, les conducteurs allouent différemment leur attention visuelle. D’une part, les fixations sur le véhicule de tête sont plus longues, doublant le temps total passé à regarder ce véhicule. D’autre part, les conducteurs réduisent l’exploration horizontale de la scène de conduite dans le cas d’un suivi de véhicule, et ce peu importe le nombre de dangers potentiels présents en périphérie (manipulé dans cette expérience par le nombre de piétons).
Dans un étude de Shinoda et al. (2001), les participants devaient également suivre un véhicule, mais les consignes les autorisaient (ou non) à respecter le code de la route lors d’intersections. Lorsqu’ils faisaient fi du code de la route, les participants regardaient le véhicule 75 % du temps à l’approche d’intersections. En revanche, lorsque les participants devaient faire attention aux panneaux et feux, ils ne regardaient le véhicule de tête que 45 % du temps.
VISION EN CONDUITE MANUELLE
Conduite avec tâche secondaire
Dans le cas où la tâche demandée est totalement dissociée de la conduite, le conducteur entre alors dans un état de distraction. Selon la modalité de la tâche, la distraction peut être visuelle (tâche secondaire sur une tablette par exemple), auditive (réagir à de certains mots prononcés par l’expérimentateur) ou cognitive (tâche de calcul mental). Généralement, les modalités sont multiples.
Dans ce cas, les conducteurs distraits adaptent leurs stratégies visuelles en fonction de la modalité de la tâche secondaire, comme l’ont montrés Victor et al. (2005). Dans cette étude, les conducteurs expérimentaient deux modalités de tâche secondaire (visuelle et auditive), dont le niveau de difficulté variait selon 3 niveaux. La tâche visuelle consistait en une recherche d’une flèche ascendante parmi un panel de 16 flèches au premier niveau. Le nombre et les différences d’orientation des flèches variaient en fonction de la difficulté de la tâche, avec au dernier niveau 36 flèches différentes. La tâche auditive consistait à retenir le nombre de fois qu’un ensemble de mots appris par les participants a été évoqué dans un texte de 30 s. La difficulté augmente avec le nombre de mots appris (2 au premier niveau, 4 au dernier niveau). Les résultats montrent que les stratégies visuelles des conducteurs dépendent du type de tâche secondaire : une tâche visuelle distrait le conducteur de la route, de manière proportionnelle à la difficulté de la tâche. Pour autant, l’effet est important même pour une tâche visuelle simple (premier niveau). Au contraire, dans le cas d’une tâche auditive, l’attention du conducteur se concentre plus sur le centre de la route. Cependant, l’impact de la difficulté de la tâche auditive n’est pas significatif.
Ces résultats ont été analysés par rapport au pourcentage de temps passé sur la route (PRC). Dans d’autres études (Hammel et al., 2002 ; Harbluk et al., 2002 ; Kaber et al., 2012 ; Nunes & Recarte, 2002 ; Recarte & Nunes, 2000 ; Victor, 2005), des résultats similaires sont trouvés en utilisant le nombre de regards sur la route ou bien des indicateurs angulaires.
Les modifications des stratégies visuelles sont également modifiées lorsque la distraction est interne au conducteur, c’est-à-dire dans les cas de vagabondage de la pensée. En effet, lorsque les conducteurs expérimentent l’expérimentent (c’est-à-dire lorsqu’ils pensent à autre chose que la conduite), l’exploration visuelle diminue, leur attention se focalisant surtout sur la route. (Lemercier et al., 2014 ; Qu et al., 2015).
Contrôle des stratégies visuelles par l’apprentissage
Dans une méta-analyse récente, Robbins & Chapman (2019) dressent un bilan de l’effet de l’expérience de conduite sur les stratégies visuelles sur 9 études (Alberti et al., 2014; Borowsky & Oron-Gilad, 2013; Crundall et al., 2003; Crundall & Underwood, 1998; Hills et al., 2018; Jiang et al., 2012; Kahana-Levy et al., 2019; Konstantopoulos et al., 2010; Underwood, Chapman, et al., 2002). Pour cela, les stratégies visuelles ont été analysées selon la recherche visuelle horizontale et verticale (dispersion angulaire du regard) et la durée et fréquence des fixations selon l’expérience des participants. Aucune différence globale n’a pu être tirée selon la durée et la fréquence des fixations. Pourtant, en s’intéressant directement à des aires d’intérêts, Underwood et al. (2002) ont montré que les conducteurs expérimentés favorisaient les contrôles visuels sur les rétroviseurs. Un effet significatif a cependant été trouvé pour la dispersion visuelle horizontale (cf. Figure B-4), montrant que les conducteurs expérimentés analysent l’environnement de conduite de manière plus large que les conducteurs novices. Même si certaines études montrent que les conducteurs novices regardent la route plus proche du véhicule que les conducteurs expérimentés (notamment Mourant & Rockwell ; 1972), la dispersion verticale du regard ne ressort pas significativement différente si on considère l’ensemble de la littérature.
IMPACT DE L’AUTOMATISATION SUR LES STRATEGIES VISUELLES DES CONDUCTEURS
Dans cette section, on s’intéressera à l’impact de l’automatisation progressive des véhicules sur le comportement visuel des conducteurs. Il s’agit pour cela de comparer les stratégies visuelles de conducteurs selon le niveau d’automatisation des véhicules. La plupart des études ont étudié les stratégies visuelles en considérant que la délégation de la conduite induira de la distraction visuelle. De ce fait, des indicateurs de distraction visuelle (comme le PRC déjà évoqué) ont été utilisés. Aussi, les stratégies visuelles peuvent être étudiées par rapport à l’exploration de la scène de conduite, en étudiant la distribution angulaire des regards. Une manière algorithmique de quantifier cette exploration consiste à considérer directement l’écart type des angles visuels recueillis lors d’expérimentations : c’est la dispersion du regard.
Au niveau 1 (SAE), le conducteur est en charge du contrôle longitudinal ou latéral (conduite semi-autonome). L’étude de Carsten et al. (2012) a permis d’étudier l’impact de la délégation du contrôle latéral, du contrôle longitudinal ou des deux sur les stratégies visuelles des conducteurs. Dans cette étude, les participants parcouraient d’abord le parcours sur simulateur en conduite manuelle, puis en conduite semi-autonome, et enfin en conduite autonome. Les participants pouvaient s’engager dans des tâches secondaires. En utilisant le pourcentage de temps à regarder au centre de la route (PRC), les auteurs ont montré une baisse globale du PRC au niveau 1 comparé à la conduite manuelle (72 %). Pour autant, les stratégies visuelles des conducteurs diffèrent selon la partie du contrôle déléguée à l’automate : lorsque les participants gèrent le contrôle du volant uniquement, leurs stratégies visuelles sont semblables à celles obtenues en conduite manuelle (PRC = 70 %). Au contraire, lorsque les participants gèrent la vitesse du véhicule, le PRC n’atteint que 60 %, de manière similaire à la condition totalement autonome. En effet, en conduite autonome et en l’absence de tâche secondaire, les conducteurs dirigent moins leur attention vers le centre de la route (57 % seulement), mais plutôt vers les aires latérales (gauche et droite du centre de la route).
Des résultats similaires sont trouvés à partir de mesures angulaires du regard dans l’expérience de Mars & Navarro (2012). Dans cette expérimentation, les auteurs analysent la distribution des angles relative au point tangent lors d’un parcours en virages, en conduite manuelle et autonome (cf Figure B-5).
En conduite autonome, les conducteurs étaient explicitement avertis de leur nécessité de surveiller la route (SAE niveau 2). Les résultats montrent que, lors de la négociation d’un virage, les prises d’informations visuelles sont davantage dédiées à l’anticipation lointaine (>15°, fixations look-ahead) en conduite autonome, les fixations de guidage diminuant en contrepartie.
Ce transfert d’information des zones visuelles centrales vers la périphérie en conduite autonome se retrouve dans d’autres études, traitant les données oculaires relatives à la route (PRC, nombre de regards sur la route ou temps à regarder hors de la route dans les études de Barnard & Lai, 2010 ; Jamson et al., 2013 ; Llaneras et al., 2013) ou via des indicateurs angulaires (distribution ou dispersion du regard dans les études de Damböck et al., 2013 ; Louw & Merat, 2017 ; Mackenzie & Harris, 2015). Plus particulièrement, concernant la dispersion angulaire, les auteurs notent une dispersion horizontale plus importante en conduite autonome comparée à la conduite manuelle. En revanche, l’effet n‘est pas significatif sur la dimension verticale de la scène.
Lorsque le conducteur est engagé dans une tâche secondaire en conduite autonome, par exemple regarder un DVD dans l’étude de Carsten et al. (2012), son attention visuelle est encore plus détournée de la scène de conduite. Carsten et al. (2012) reportent ainsi un PRC de 49 % en conduite autonome avec tâche secondaire, contre 57 % sinon. Dans l’expérimentation de Nakajima & Tanaka (2017), les auteurs évaluent la proportion de regards dirigés vers la route en conduite autonome. En l’absence de tâche secondaire, 51 % des regards sont dirigés vers la route, contre seulement 29 % en moyenne lorsqu’une tâche secondaire est effectuée par les participants. Ce ratio est d’autant plus faible que la tâche secondaire nécessite des informations visuelles : dans le cas de l’utilisation d’un smartphone, seuls 14 % des regards se dirigent vers la route.
En revanche, les conséquences de ce transfert d’informations ne sont pas décrites de manière univoque dans la littérature. En effet, l’expérience de Navarro et al. (2016) a montré que le manque de fixations de guidage altère les coordinations visuomotrices, ce qui contribue à une qualité d’évitement d’obstacle plus faible en conduite autonome. Cet aspect est en contradiction avec les résultats de McKenzie et Harris (2016), qui montrent qu’en conduite autonome, les conducteurs sont plus aptes à distinguer des dangers potentiels du fait d’une plus grande exploration visuelle.
Lien entre les stratégies visuelles et la sortie de boucle
Du fait de la définition de la sortie de boucle, qui se base sur la supervision de la scène visuelle en conduite autonome, l’analyse des stratégies visuelles apparaît particulièrement intéressante pour étudier et quantifier le phénomène. De fait, quelques études font le lien entre les stratégies visuelles des conducteurs et la sortie de boucle.
Induction de la sortie de boucle par la tâche secondaire
Lorsqu’une tâche secondaire est demandée au conducteur (en encore plus lorsque la modalité de la tâche est visuelle), ses stratégies visuelles vont s’adapter de manière à porter l’attention du conducteur sur autre chose que sur la route. De fait, la sortie de boucle est donc directement liée à la proportion de temps passé sur la tâche secondaire. Par conséquent, détecter la sortie de boucle et la quantifier peut être fait à partir d’algorithmes de détection de la distraction visuelle, prenant en compte le temps maximum passé à regarder hors de la route, etc. (voir par exemple Ahlstrom et al., 2013)
Dans l’étude de Zeeb et al. (2015), les conducteurs devaient effectuer une tâche secondaire sur une console centrale, puis réagir à un obstacle présent sur la route. Dans l’analyse des résultats, 3 groupes ont été constitués à partir d’indicateurs de la distraction visuelle (temps maximum passé à regarder hors de la route, pourcentage de temps passé à regarder la console centrale). De fait, les groupes ont été catégorisés selon les risques de collisions : élevé, moyen ou faible, le groupe « élevé » ayant les pires valeurs pour les indicateurs de distraction. Les résultats au cas critique montrent que le groupe élevé a de plus longs temps de réaction aux obstacles, ce qui est l’une des conséquences de la sortie de boucle.
Induction de la sortie de boucle en augmentant la durée d’automatisation
Lorsque la durée d’automatisation augmente, les conducteurs deviennent de plus en plus hors de la boucle. Dans une étude, Feldhütter et al. (2017) montrent que les stratégies visuelles des conducteurs changent avec le temps passé en conduite autonome. En effet, les conducteurs passent de moins en de temps à regarder la route lors de l’expérimentation. De plus, la durée maximum passée à ne pas regarder la route est également plus élevée à la fin qu’au début du parcours. De même, l’étude de Greenlee et al. (2018) montre que, lorsqu’une tâche de détection des dangers est demandée aux conducteurs, le taux de bonnes détections diminue au cours du temps d’automatisation. Au regard de ces études, on peut faire l’hypothèse qu’une analyse longitudinale des stratégies visuelles permettrait de discerner la sortie de boucle.
Pour autant, le lien entre les stratégies visuelles et la sortie de boucle reste à faire, par exemple en considérant les conséquences de la sortie de boucle. Dans l’étude de Feldhütter et al. (2017), les conséquences de la sortie de boucle ont été évaluées au travers d’évènements de conduite, montrant que le temps de réaction aux évènements était plus court après 5 min de conduite autonome qu’après 20 min de conduite autonome. Les conséquences peuvent être également abordées du point de vue du vagabondage de la pensée. Körber et al. (2015) ont en effet montré que le niveau de vagabondage de la pensée des conducteurs était plus fort à la fin de l’expérimentation, traduisant un désengagement cognitif de la conduite.
SYNTHESE ET TRANSITION
Cette partie a présenté l’état de la littérature sur les stratégies visuelles. Après une introduction sur le cas général, les stratégies visuelles des conducteurs en contrôle manuel ont été présentées. Dès lors, différentes prises d’informations visuelles ont pu être discutées selon leur utilisation au niveau opérationnel ou au niveau tactique.
Au niveau opérationnel, chargé d’exécuter les manœuvres décidées au niveau tactique, les stratégies visuelles employées dépendent d’entrées visuelles relativement proches du véhicule (jusqu’à environ 2 secondes en amont). Ces stratégies visuelles ont pour but d’anticiper la route à venir (fixations de guidage). Cette anticipation à court terme s’effectue en parallèle de la correction des erreurs de positionnement latéral du véhicule.
Les conducteurs utilisent également des fixations look-ahead, dont le rôle aux niveaux opérationnel ou tactique est encore discuté : ces fixations pourraient servir à mettre à jour le modèle interne de la route pour la planification de trajectoire sur une distance étendue, alimentant ainsi le niveau opérationnel. Au contraire, elles pourraient servir à la recherche d’informations tactiques.
Ces prises d’informations tactiques permettent au conducteur de construire et de mettre à jour un modèle mental de la situation de conduite, ce qui lui confère une conscience de la situation. Pour ce faire, le regard est porté plus largement sur l’environnement de conduite, en prenant en compte les déplacements des autres usagers notamment.
Lorsque la conduite du volant est déléguée à l’automate, une adaptation visuomotrice a lieu, les conducteurs se désengageant des prises d’informations centrales au profit d’informations périphériques. Les conséquences de ce transfert d’informations ne sont pas univoques, dans la mesure où à la fois il mènerait à une détection accrue des dangers potentiels, mais en même temps perturberait la reprise du contrôle du conducteur lorsqu’un obstacle apparaît soudainement. Enfin, le dernier point concerne les liens entre les stratégies visuelles et la sortie de boucle. Si la sortie de boucle est causée par le temps passé en conduite autonome, les stratégies visuelles peuvent être analysées en fonction du temps.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE A: ÉTAT DE L’ART – ACTIVITE DE CONDUITE
A.1. DEFINITION DE L’ACTIVITE DE CONDUITE MANUELLE
A.1.1. MODELE DE RASMUSSEN (1983)
A.1.2. MODELE DE MICHON (1985)
A.1.3. SYNTHESE ET TRANSITION
A.2. MODIFICATIONS DE L’ACTIVITE DE CONDUITE INDUITE PAR L’AUTOMATISATION DES VEHICULES
A.2.1. NIVEAUX D’AUTOMATISATION EN CONDUITE AUTONOME
A.2.2. ACTIVITE DE CONDUITE AU NIVEAU 2 (SAE)
A.2.3. ACTIVITE DE CONDUITE AU NIVEAU 3 (SAE)
A.2.4. SYNTHESE ET TRANSITION
A.3. PHENOMENE DE SORTIE DE BOUCLE
A.3.1. DEFINITION (S)
A.3.2. LIEN AVEC LA CONSCIENCE DE LA SITUATION
A.3.3. IMPACT DU PHENOMENE DE SORTIE DE BOUCLE SUR LES PERFORMANCES DE CONDUITE
A.3.4. ÉVOLUTION DU PHENOMENE DE SORTIE DE BOUCLE AU COURS DU TEMPS
A.3.5. INDUCTION EXPERIMENTALE DU PHENOMENE DE SORTIE DE BOUCLE
A.3.6. SYNTHESE ET TRANSITION
A.4. SYNTHESE DE LA PREMIERE PARTIE
PARTIE B: ETAT DE L’ART – STRATEGIES VISUELLES
B.1. CAS GENERAL
B.1.1. ATTENTION VISUELLE ET MOUVEMENTS OCULAIRES
B.1.2. STRATEGIES VISUELLES DEPENDANTES DE LA TACHE
B.2. VISION EN CONDUITE MANUELLE
B.2.1. CONDUITE SANS TACHE ANNEXE
B.2.2. CONDUITE AVEC TACHE ANNEXE : SUIVI D’UN VEHICULE
B.2.3. CONDUITE AVEC TACHE SECONDAIRE
B.2.4. CONTROLE DES STRATEGIES VISUELLES PAR L’APPRENTISSAGE
B.3. IMPACT DE L’AUTOMATISATION SUR LES STRATEGIES VISUELLES DES CONDUCTEURS.
B.4. LIEN ENTRE LES STRATEGIES VISUELLES ET LA SORTIE DE BOUCLE
B.5. SYNTHESE ET TRANSITION
PARTIE C: AXES DE TRAVAIL DU DOCTORAT
C.1. ÉQUILIBRE ENTRE LES PROCESSUS SENSORIMOTEURS ET TACTIQUES LORS DE LA SORTIE DE BOUCLE OPERATIONNELLE
C.2. DISTINCTION DES CONDUCTEURS EN CONDUITE MANUELLE ET AUTONOME : PRISE EN COMPTE DE LA DYNAMIQUE DU REGARD
C.3. PREDICTION DE LA SORTIE DE BOUCLE EN CONDUITE AUTONOME A PARTIR DES STRATEGIES VISUELLES
C.4. SYNTHESE DE LA DEMARCHE EXPERIMENTALE
PARTIE D: STRATEGIES VISUELLES DES CONDUCTEURS LORS D’UNE CONDUITE EN VIRAGES : INFLUENCE DE L’AUTOMATISATION ET DE LA VITESSE
D.1. SYNTHESE DE L’EXPERIMENTATION
D.1.1. CONTEXTE SCIENTIFIQUE ET HYPOTHESES
D.1.2. RESULTATS ET CONCLUSION
D.2. ARTICLE COMPLET
PARTIE E: PREDICTION DU MODE DE CONDUITE A PARTIR DES STRATEGIES VISUELLES DES CONDUCTEURS EN CONTEXTE AUTOROUTIER
E.1. SYNTHESE DE L’EXPERIMENTATION
E.1.1. CONTEXTE SCIENTIFIQUE ET HYPOTHESES
E.1.2. PRINCIPAUX RESULTATS ET CONCLUSIONS
E.2. ARTICLE COMPLET
PARTIE F: ESTIMATION DU PHENOMENE DE SORTIE DE BOUCLE A PARTIR DES STRATEGIES VISUELLES DES CONDUCTEURS EN CONDUITE AUTONOME
F.1. SYNTHESE DE L’EXPERIMENTATION
F.1.1. CONTEXTE SCIENTIFIQUE ET QUESTIONS DE RECHERCHES
F.1.2. RESULTATS PRINCIPAUX ET DISCUSSION
F.2. ARTICLE COMPLET
PARTIE G: DISCUSSION GENERALE ET PERSPECTIVES
G.1. ADAPTATION DES STRATEGIES VISUELLES A L’AUTOMATISATION DE LA CONDUITE
G.1.1. POINT DE VUE STATIQUE
G.1.2. POINTS DE VUE DYNAMIQUE
G.1.3. SYNTHESE ET TRANSITION
G.2. ESTIMATION DE LA SORTIE DE BOUCLE A PARTIR DES STRATEGIES VISUELLES EN CONDUITE AUTONOME
G.3. CHOIX METHODOLOGIQUES : APPORTS ET LIMITES
G.3.1. APPORTS
G.3.2. LIMITES
G.4. PERSPECTIVES
RETROSPECTIVE DE LA DIFFUSION DES TRAVAUX
ANNEXE : PRINCIPE DE L’ALGORITHME DE SORTIE DE BOUCLE
BIBLIOGRAPHIE
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