Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIT�E DE SHERBROOKE
Facult�e de g�enie
D�epartement de g�enie �electrique et de g�enie informatique
Syst�eme intelligent
d'assistance �a la perception
dans la conduite de v�ehicule
M�emoire de mâ�trise es sciences appliqu�ees
Sp�ecialit�e : g�enie �electrique
�Eric LAURIN
Sherbrooke (Qu�ebec), CANADA 26 janvier 2000
R�esum�e
Certains v�ehicules de taille imposante pr�esentent des zones o�u il est di�cile pour le
conducteur de rep�erer un obstacle. C'est le cas des autobus scolaires et des camions pour
lesquels de telles zones existent même �a l'avant du v�ehicule. Des v�ehicules de taille plus
r�eduite ont aussi leurs zones de vision r�eduite �a l'arri�ere. Pour am�eliorer la perception du
conducteur lors de la marche arri�ere, des syst�emes d'assistance apparaissent maintenant sur
le march�e automobile. Ils indiquent directement la pr�esence d'un obstacle dans une r�egion
pr�ecise �a l'arri�ere du v�ehicule. Dans le pr�esent ouvrage, un nouveau syst�eme d'assistance
�a la perception est d�evelopp�e. Il est d�esign�e par l'acronyme SIAPCoV qui signi�e Syst�eme
Intelligent d'Assistance �a la Perception dans la COnduite de V�ehicule. Ce syst�eme cherche
�a e�ectuer une analyse plus compl�ete des donn�ees a�n de permettre une d�etection avant
ou arri�ere variant en fonction de la vitesse et de la direction du v�ehicule. Pour ce faire, il
utilise un algorithme de fusion de donn�ees qui combine les distances per�cues par plusieurs
capteurs, la vitesse, et la direction du v�ehicule. Il inf�ere ensuite �a partir de cette fusion
un niveau de danger de collision qui est indiqu�e au conducteur. La logique oue s'av�ere
un outil tout �a fait appropri�e pour ce genre de tâche car elle facilite la conception par
sa capacit�e de reproduire une relation entr�ee-sortie non-lin�eaire complexe par l'utilisation
de r�egles linguistiques intuitives. N�eanmoins, les exigences temps-r�eel s�ev�eres d'une telle
application demandent que le temps de traitement des donn�ees soit r�eduit au maximum.
Trois approches utilisant des variantes de la logique oue sont donc d�evelopp�ees a�n de
d�eterminer laquelle o�re un rendement optimal en ce qui concerne la validit�e des r�esultats et
la vitesse de traitement. Ces trois approches sont test�ees en environnement r�eel en installant
SIAPCoV sur un v�ehicule. Di��erentes mises en situation sont �etudi�ees a�n de v�eri�er le bon
fonctionnement du syst�eme et comparer les trois approches en conditions d'utilisation. Les
r�esultats d�emontrent l'utilit�e de combiner les lectures des capteurs, la vitesse et la direction
du v�ehicule pour obtenir une d�etection d'obstacle plus \intelligente" s'adaptant �a l'�etat du
v�ehicule.
Remerciements
Je d�esire tout d'abord remercier mon directeur de recherche, M. Fran�cois Michaud, pour
son support lors de la r�ealisation de ces travaux. Sa grande disponibilit�e, sa motivation et
la rapidit�e de ses interventions tout au long de ma mâ�trise ont grandement facilit�e son
ach�evement. Il a su me transmettre une grande part de sa passion pour l'ing�enierie. Je tiens
aussi �a remercier les membres du jury pour leur �evaluation et leurs commentaires sur ce
m�emoire.
Je d�esire exprimer tout particuli�erement ma reconnaissance �a M. Serge Caron, technicien
en g�enie �electrique �a l'Universit�e de Sherbrooke, pour sa disponibilit�e, son aide et ses pr�ecieux
conseils durant ces travaux.
Je tiens �egalement �a exprimer ma reconnaissance au Conseil de recherches en sciences
naturelles et en g�enie du Canada (CRSNG) et �a la Fondation canadienne pour l'innovation
(FCI) pour leur assistance �nanci�ere durant ma mâ�trise.
Je t�emoigne toute ma gratitude �a ma famille qui a manifest�e durant toutes mes �etudes
son int�erêt, son support et ses encouragements. Je tiens en�n �a remercier Joyce pour la
compr�ehension, le d�evouement et l'attention qu'elle a su me d�emontrer au cours de ces tra-
vaux.
Table des mati�eres
1 Introduction 1
2 Syst�emes actuels d'assistance �a la perception 5
2.1 Capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Capteurs ultrasoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 D�etecteurs au laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 D�etecteurs �a micro-onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.4 D�etecteurs �a infrarouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.5 Capteurs tactiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Syst�emes de perception en milieu routier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 D�etection d'obstacle en marche arri�ere sur les automobiles . . . . . . . 11
2.2.2 Barri�eres amovibles pour autobus scolaires . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Syst�eme de jupes de protection BBI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.4 Syst�eme de d�etection Buster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.5 Syst�eme Vorad Collision Warning System . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Limitations des syst�emes existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Description du syst�eme d'assistance �a la perception SIAPCoV 16
3.1 Capteurs ultrasoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.1 Disposition des capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Pilote de sonars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
i
3.3 Circuit multiplexeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Microcontrôleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Interface avec l'usager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4 Fusion des donn�ees 26
4.1 Approches actuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Approche de fusion de SIAPCoV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2.1 Fusion par la th�eorie classique des ensembles . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2.2 Fusion oue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5 R�esultats d'exp�erimentation 41
5.1 Mesures exp�erimentales avec les modules de d�etection . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2 Surfaces de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2.1 Approche de fusion selon la th�eorie classique des ensembles . . . . . . . 46
5.2.2 Approche de fusion bas�ee sur la logique oue modulaire . . . . . . . . . 47
5.2.3 Approche de fusion bas�ee sur la logique oue modulaire avec module
de s�election . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.4 Approche de fusion bas�ee sur la m�ethode de Combs . . . . . . . . . . . 51
5.3 Validation en environnement r�eel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3.1 D�etection de pr�esence �a l'arrêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3.2 D�etection de pr�esence pour des distances et vitesses variables . . . . . . 57
5.3.3 D�etection de pr�esence pour des directions variables . . . . . . . . . . . 59
5.4 Temps de traitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6 Discussion 62
6.1 D�eveloppements futurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7 Conclusion 66
A R�egles du moteur d'inf�erence oue modulaire 68
ii
Table des �gures
3.1 Organisation des composantes mat�erielles de SIAPCoV. . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 R�epartition des capteurs �a l'avant d'un v�ehicule. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 �Ecart entre deux faisceaux synchronis�es. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 Signaux g�en�er�es dans le processus de d�etection par t�el�em�etrie ultrasonique. . . 21
3.5 Multiplexage de la sortie vers les sonars. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.6 Interface visuelle et sonore situ�ee au-dessus du tableau de bord. . . . . . . . . 24
4.1 Convention utilis�ee pour la direction du v�ehicule. . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 Fonctions d'appartenance utilis�ees par le contrôleur ou de SIAPCoV. . . . . . 33
4.3 Diagramme du moteur d'inf�erence oue modulaire. . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4 Diagramme du moteur d'inf�erence oue modulaire avec module de s�election. . 36
4.5 Fonctions d'appartenance pour la vitesse a) dans la m�ethode oue modulaire.
b) dans la m�ethode oue avec module de s�election. . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.6 Fonctions d'appartenance pour la direction a) dans la m�ethode oue modulaire.
b) dans la m�ethode oue avec module de s�election. . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.7 �Etape d'�evaluation des r�egles avec la m�ethode de Combs. . . . . . . . . . . . . 40
5.1 Disposition des modules de d�etection sur le v�ehicule. . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2 Comparaison entre la zone de d�etection th�eorique et la zone constat�ee lors de
la d�etection d'un obstacle humain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3 Zone de perception exp�erimentale pour la d�etection d'obstacles humains. . . . 44
5.4 Surface de contrôle avec r�egles math�ematiques bas�ees sur la th�eorie classique
des ensembles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
iii
5.5 Surfaces de contrôle du moteur d'inf�erence oue modulaire. . . . . . . . . . . . 48
5.6 Surfaces de contrôle du moteur d'inf�erence avec module de s�election. . . . . . . 50
5.7 Surfaces de contrôle du moteur d'inf�erence avec m�ethode de Combs. . . . . . . 53
5.8 R�epartition des niveaux de danger utilis�ee par les deux m�ethodes oues mo-
dulaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.9 R�epartition dynamique des niveaux de danger utilis�ee par la m�ethode de Combs. 54
iv
Liste des tableaux
5.1 Pi�eton passant devant le v�ehicule immobile �a une distance de 2.7 m . . . . . . 56
5.2 V�ehicule approchant d'un mur �a 5 km/h en ligne droite . . . . . . . . . . . . . 58
5.3 V�ehicule approchant d'un mur �a 10 km/h en ligne droite . . . . . . . . . . . . 59
5.4 V�ehicule �evitant un autre v�ehicule par la gauche �a 5 km/h . . . . . . . . . . . 59
5.5 Niveau de danger obtenu pour chaque sonar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
A.1 R�egles du moteur d'inf�erence oue modulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
v
Chapitre 1
Introduction
Actuellement, aucun consensus n'existe sur une d�e�nition d'un syst�eme intelligent. Plu-
sieurs ont �et�e propos�ees mais aucune n'est vraiment identi��ee comme �etant la meilleure
[Huger 98]. En fait, plusieurs d�e�nitions pourraient coexister, car on peut distinguer di��erents
types de syst�emes intelligents. Par exemple, un syst�eme d'assistance aide l'humain dans la
r�ealisation d'une tâche. En se limitant �a ce type de syst�eme, il est possible d'�etablir une
d�e�nition ad�equate. Un syst�eme d'assistance intelligent pourrait en e�et se d�e�nir comme
un syst�eme interpos�e entre un utilisateur et un environnement, ayant des capacit�es parti-
culi�eres lui permettant de s'adapter avec une certaine autonomie �a son milieu d'op�eration, et
permettant d'am�eliorer les habilet�es de l'humain �a interagir avec son environnement.
Il est pr�esentement possible d'identi�er plusieurs syst�emes qui r�epondent de pr�es ou
de loin �a cette d�e�nition et qui font l'objet d'exp�erimentations. Par exemple, des robots
(t�el�eop�er�es ou autonomes) et divers syst�emes de contrôle comme ceux utilis�es par exemple en
domotique sont de plus en plus employ�es pour r�ealiser des tâches normalement e�ectu�ees par
l'humain, ou pour l'aider �a les r�ealiser plus facilement. Le but est de faire en sorte que ces
syst�emes agissent de fa�con rationnelle face aux di��erentes situations per�cues, tout en cher-
chant �a atteindre ou même am�eliorer les performances normalement atteintes par l'humain.
Le succ�es d'un syst�eme intelligent r�eside dans sa �abilit�e, sa robustesse face aux situations
auxquelles il est confront�e, et dans l'e�cacit�e de son interface avec l'utilisateur. Un bon
1
exemple est la canne-guide intelligente [Borenstein 97, Geppert 97], une invention dont le
but est de faciliter les man�uvres �a proximit�e d'obstacles pour les personnes non-voyantes.
La chaise roulante intelligente [Bell 94, Borenstein 90, Levine 90], con�cue pour aider les gens
atteints d'handicaps s�ev�eres �a d�eplacer leur chaise sans frapper d'obstacles, en est un autre.
Dans les deux cas, l'\intelligence" consiste �a utiliser des capteurs pour percevoir l'environ-
nement et arriver, avec une certaine autonomie, �a adapter le parcours choisi par l'utilisateur
a�n d'�eviter les obstacles tout en respectant le mieux possible la direction demand�ee. Ceci
d�emontre bien en quoi un syst�eme, compos�e de capteurs, d'actionneurs, d'une unit�e de traite-
ment et d'une \intelligence", peut arriver �a limiter certains handicaps physiques d'individus
et am�eliorer leur qualit�e de vie.
Un autre champ d'application qui peut grandement b�en�e�cier de l'utilisation de syst�emes
intelligents est le milieu routier. Le nombre d'accidents survenant sur les routes pourrait être
grandement diminu�e avec l'utilisation d'outils de ce genre. Par exemple, les gros v�ehicules,
comme les autobus et les camions, pr�esentent des zones o�u la vision du conducteur est ardue,
voire impossible. Plusieurs accidents sont ainsi caus�es par l'incapacit�e des conducteurs de
d�etecter la pr�esence d'un obstacle ou d'une personne dans ces zones de visibilit�e r�eduite.
Dans le cas des camions, plusieurs accidents se produisent lors d'un changement de voie
sur la droite. Ceux-ci se font parfois pratiquement �a l'aveugle car les miroirs ne sont pas
su�sants pour couvrir e�cacement tout l'espace �a la droite du camion [Dub�e 96]. La zone
arri�ere des camions et des autobus est aussi tr�es dangereuse lors de la marche arri�ere. Le
signal sonore g�en�er�e habituellement est tr�es utile mais il n'empêche pas tous les accidents. La
zone avant pr�esente aussi un danger car �a l'arrêt, un pi�eton peut se placer dans la trajectoire
du v�ehicule sans que le conducteur puisse le rep�erer. �A cet e�et, plusieurs accidents mortels
ont �et�e d�enombr�es impliquant de jeunes �ecoliers et des autobus scolaires. Selon le Conseil
canadien des normes (CCN), 324 enfants ont �et�e frapp�es par un autobus scolaire entre 1987
et 1992 au Canada1. Quinze de ces accidents ont entrâ�n�e la mort. Dans la plupart des cas,
ces enfants traversaient la rue en passant devant leur autobus et le chau�eur les a pour ainsi
dire perdus de vue, eux qui n'�etaient pourtant qu'�a quelques pieds devant lui. Le Comit�e
1URL : http ://www.scc.ca/consensu/1997/feb/child2401f.html
2
interminist�eriel d�ecrit le sc�enario de l'accident typique de la fa�con suivante2 :
�En voulant traverser la chauss�ee en passant devant l'autobus scolaire, un �el�eve de la
maternelle ou du premier cycle du primaire (5 �a 9 ans), donc de petite taille, se fait
�ecraser par le devant de l'autobus scolaire (le conducteur n'a pas vu la victime) lors du
retour de l'�ecole en �n d'apr�es-midi.�
Plusieurs syst�emes ont �et�e con�cus et test�es pour la s�ecurit�e des enfants voyageant en auto-
bus scolaire [Dub�e 96]. Par contre, la solution retenue par le Minist�ere des Transports du
Qu�ebec reste encore l'installation de miroirs aux endroits appropri�es sur les autobus sco-
laires3. Cependant, l'utilisation de miroirs peut s'av�erer moins e�cace sous certaines condi-
tions m�et�eorologiques (ex. neige, pluie abondante) et demande une attention soutenue de la
part du conducteur. De plus, la probl�ematique reste enti�ere pour les v�ehicules lourds autres
que les autobus scolaires. Le danger reli�e �a la marche arri�ere des gros v�ehicules reste aussi
sans solution, comme en fait foi un accident survenu en juin 1997 impliquant un camion
d'Hydro-Qu�ebec4. Un jeune bambin avait alors �et�e frapp�e par le pare-choc arri�ere du camion
alors que celui-ci quittait l'all�ee de sa demeure en marche arri�ere.
Un syst�eme intelligent permettant la d�etection d'objets ou de personnes aux endroits o�u
la perception est ardue peut r�eduire grandement de tels risques d'accidents et aussi faciliter
les man�uvres de stationnement. Les travaux pr�esent�es dans ce m�emoire couvrent les aspects
de conception d'un tel syst�eme. Ce dernier est d�esign�e par l'acronyme SIAPCoV (Syst�eme
Intelligent d'Assistance �a la Perception dans la COnduite de V�ehicule). Il permet de d�etecter
les objets ou les personnes aux endroits o�u la perception est ardue �a l'avant des gros v�ehicules
et de signaler au conducteur un risque associ�e �a l'approche de ces obstacles. La conception de
SIAPCoV doit r�epondre �a plusieurs exigences. A�n de devenir un �equipement applicable dans
le domaine automobile, le prototype doit avant tout être peu coûteux. Il doit aussi permettre
d'obtenir des r�esultats �ables a�n qu'un conducteur puisse se �er aux donn�ees a�ch�ees par
le syst�eme. La �abilit�e, dans la pr�esente application, consiste premi�erement �a obtenir des
donn�ees su�samment pr�ecises quant �a la distance des obstacles. Le syst�eme doit donc être
2URL : http ://www.ombuds.gouv.qc.ca/francais/prod/rappdoc/transpor/transp01.htm3D'apr�es un entretien t�el�ephonique avec Mme Andr�ee Lehman, MTQ.4La Presse, nouvelles g�en�erales, 18 septembre 1997
3
assez sensible pour d�etecter tous les obstacles �a proximit�e du v�ehicule mais ne doit pas faire de
fausse d�etection, c'est-�a-dire percevoir un obstacle inexistant. Elle consiste aussi �a calculer un
niveau de danger correspondant bien au risque r�eel de collision. Une fusion des donn�ees doit
donc être e�ectu�ee a�n de tirer les bonnes conclusions �a partir de l'information provenant d'un
grand nombre de capteurs et de l'�etat du v�ehicule. Cette fusion est d'autant plus importante
pour un syst�eme qui doit �evoluer dans un environnement ext�erieur non-structur�e, exigeant et
diversi��e comme dans le cas de SIAPCoV, car les entr�ees doivent alors couvrir un vaste espace
de perception. Pour cette raison, nous avons choisi d'utiliser la logique oue a�n de r�ealiser
une fusion intelligente des capteurs de proximit�e en fonction de la direction et de la vitesse
du v�ehicule. Une autre exigence est de concevoir le syst�eme de fa�con modulaire a�n qu'il
soit utilisable sur des v�ehicules di��erents et couvre di��erents champs de perception, comme
la d�etection avant, la d�etection arri�ere, ou les deux. Finalement, SIAPCoV doit fonctionner
en temps r�eel, c'est-�a-dire permettre le traitement le plus rapide possible des donn�ees, a�n
de laisser au conducteur un temps de r�eaction ad�equat pour freiner ou �eviter un �eventuel
obstacle.
Ce m�emoire est organis�e de la fa�con suivante. Le chapitre 2 pr�esente un survol des types
de capteurs ainsi que des syst�emes de perception existants. Le chapitre 3 �etudie les di��erentes
composantes et les caract�eristiques du prototype con�cu. Le choix du type de capteur utilis�e
et leur disposition sur le v�ehicule y sont pr�esent�es. Le chapitre 4 d�ecrit l'algorithme de fusion
con�cu pour combiner les lectures de tous les capteurs de proximit�e et l'�etat du v�ehicule, plus
pr�ecis�ement sa vitesse et sa direction. Trois m�ethodes de fusion y sont compar�ees a�n d'�evaluer
celle qui donne le meilleur rendement quant �a la pr�ecision et �a la rapidit�e de traitement du
syst�eme. �A partir de cette fusion intelligente des donn�ees, un niveau de danger est d�eduit
de fa�con �a re�eter ad�equatement le risque de frapper un obstacle. Le chapitre 5 pr�esente les
r�esultats obtenus exp�erimentalement en montrant tout d'abord la surface de contrôle des trois
moteurs d'inf�erence test�es. Des mises en situation en environnement r�eel sont par la suite
e�ectu�ees a�n de montrer le comportement du syst�eme en pratique. Finalement, le chapitre 6
pr�esente une discussion sur les r�esultats et les d�eveloppements futurs du syst�eme.
4
Chapitre 2
Syst�emes actuels d'assistance �a la
perception
Pour r�ealiser un syst�eme intelligent, il est n�ecessaire d'utiliser des capteurs qui fourniront
la perception requise de l'environnement pour une prise de d�ecision \intelligente". Il existe
plusieurs types de capteurs, dont les plus pertinents pour la probl�ematique concern�ee sont
d�ecrits dans le pr�esent chapitre. Par la suite, une description sommaire des syst�emes intelli-
gents utilis�es jusqu'�a maintenant pour fournir une assistance dans la conduite de v�ehicules
est pr�esent�ee, a�n de mettre en �evidence les avantages et les limitations des capteurs dans
les conditions d'op�eration habituelles sur route.
2.1 Capteurs
La technologie actuelle fournit plusieurs types de capteurs qui utilisent des propri�et�es
particuli�eres �a certains mat�eriaux : quelques-uns se servent de la r�eexion des ondes sur les
objets, d'autres de la chaleur �emise par un corps vivant, etc.
Il n'existe pas de capteur qui se d�emarque des autres par une e�cacit�e vraiment sup�erieure.
Ils ont tous des avantages et des inconv�enients avec lesquels il faut pouvoir composer. Par
5
contre, leur importance peut être passablement inuenc�ee par l'environnement dans lequel le
syst�eme est amen�e �a �evoluer. Le d�e� est donc de r�ealiser des syst�emes qui utilisent le mieux
possible les capteurs ou une combinaison de capteurs en tenant compte de leurs conditions
d'utilisation, et ceci requiert une bonne connaissance de leurs caract�eristiques.
2.1.1 Capteurs ultrasoniques
Les capteurs ultrasoniques, commun�ement appel�es sonars, utilisent la m�ethode de la
t�el�em�etrie �a ultrason pour calculer la distance entre l'�emetteur et un objet distant. Cette
m�ethode consiste �a mesurer le temps que prend une impulsion ultrasonique pour atteindre
l'objet et revenir par r�eexion �a son point de d�epart. L'onde sonore utilis�ee a une fr�equence de
plus de 20 kHz. Connaissant la vitesse de propagation de ce type d'onde, qui est environ de 30
cm/ms, la formule 2.1 permet de calculer la distance franchie par les ultrasons [Everett 95] :
d = v t (2.1)
o�u d est la distance totale parcourue, v la vitesse de propagation et t le temps �ecoul�e. La
distance trouv�ee doit par contre être divis�ee par deux car le signal aura franchi le double de
la distance pour revenir �a l'�emetteur. La capacit�e de d�etection de ce type de capteur va de
quelques centim�etres �a environ 10 m�etres.
Un des principaux avantages de la t�el�em�etrie ultrasonique vient du fait que la distance
de l'objet d�etect�e est directement disponible �a la sortie du capteur. Ainsi, aucune analyse
compliqu�ee de la lecture n'est requise. De plus, son faible coût et la simplicit�e de sa mise
en �uvre font en sorte qu'il est un des capteurs les plus populaires dans les applications de
robotique mobile ou autres [Dub�e 96, Everett 95].
Par contre, les sonars ont quelques lacunes qui doivent être prises en consid�eration :
{ Les faisceaux qu'engendre ce type d'�emetteur ont une ouverture minimale assez impor-
tante de l'ordre de 15�, ce qui cause une incertitude signi�cative quant �a la position
exacte de l'objet d�etect�e [Dub�e 96, Jackson 93].
6
{ La vitesse de propagation des ultrasons peut être inuenc�ee de fa�con sensible par une
variation de temp�erature. Par exemple, un �ecart de 30�C peut causer une erreur de 30
cm sur une mesure de 11 m. Elle peut aussi être inuenc�ee de fa�con moins importante
par l'humidit�e [Dub�e 96, Everett 95].
{ La lecture des capteurs peut être inuenc�ee par le bruit environnant et par le signal
�emis par d'autres capteurs sur le même syst�eme [Borenstein 95, Kortenkamp 98].
{ Les e�ets du vent sur le r�ecepteur peuvent aussi nuire aux r�esultats obtenus
[Kortenkamp 98].
{ Finalement, les mesures peuvent quelques fois être fauss�ees par la r�eexion sp�eculaire
[Jackson 93]. Ce type de r�eexion survient lorsque l'angle d'incidence du faisceau tombe
sous un certain angle critique par rapport �a un mur ou un autre objet lisse. Dans ce
cas, le faisceau n'est pas r�e�echi de fa�con �a revenir �a l'�emetteur mais plutôt de fa�con
sym�etrique en s'�eloignant de l'�emetteur.
2.1.2 D�etecteurs au laser
Deux types de d�etecteurs au laser peuvent être utilis�es pour d�eterminer la distance d'un
objet. Certains obtiennent cette distance par t�el�em�etrie [Dub�e 96, Everett 95], soit la même
m�ethode que celle d�ecrite �a la section pr�ec�edente. Le temps de vol est alors calcul�e d'apr�es
la vitesse du rayon lumineux. On obtient la distance �a partir de ce laps de temps. L'autre
m�ethode consiste �a �emettre en continu un signal laser modul�e et de mesurer le d�ephasage
avec le faisceau r�e�echi par l'objet [Dub�e 96, Everett 95].
Un des avantages du d�etecteur au laser est sa longue port�ee combin�ee avec sa pr�ecision
tr�es �elev�ee. Il peut demeurer pr�ecis même �a de tr�es grandes distances, �etant donn�ee la concen-
tration d'�energie de ce rayon focalis�e [Dub�e 96]. Certains d�etecteurs au laser peuvent avoir
une port�ee de l'ordre du kilom�etre.
Son principal d�efaut est son coût �elev�e. De plus, il n�ecessite un entretien tr�es fr�equent car
les mesures sont a�ect�ees si le syst�eme n'est pas propre et bien ajust�e. Il est aussi grandement
7
inuenc�e par les conditions environnementales telles que la temp�erature, la neige, la pluie et
la brume. Dans ces conditions, la qualit�e du signal est att�enu�ee. Il faut aussi consid�erer l'e�et
thermique du rayonnement laser qui peut repr�esenter un certain danger. Il a �et�e calcul�e qu'�a
une distance inf�erieure �a 70 cm, le signal laser utilis�e avec de tels d�etecteurs est consid�er�e
comme �etant dangereux, particuli�erement pour l'�il humain [Dub�e 96]. Il est donc n�ecessaire
de tenir compte de cette particularit�e lors de la conception d'un syst�eme de d�etection, surtout
s'il op�ere dans un milieu o�u des individus peuvent se trouver.
2.1.3 D�etecteurs �a micro-onde
Le d�etecteur �a micro-onde, le radar, est bas�e sur le rayonnement d'un signal �electroma-
gn�etique de l'ordre du gigahertz. Il peut utiliser trois m�ethodes pour calculer la distance d'un
obstacle. La t�el�em�etrie peut être utilis�ee pour fournir une information de distance, comme
dans le cas des capteurs pr�ec�edents [Dub�e 96, Everett 95]. On peut aussi, en utilisant un
radar �a �emission continue, exploiter le principe de l'e�et Doppler a�n d'obtenir une indi-
cation de mouvement d'une cible. Toutefois, l'e�et Doppler ne donne aucune indication de
distance [Dub�e 96, Everett 95]. La troisi�eme m�ethode permet d'obtenir la distance en plus
de d�eterminer si l'obstacle est mobile ou non. Il s'agit d'utiliser un radar �a �emission continue
en lui ajoutant une modulation de la fr�equence d'�emission. Plusieurs formes d'ondes sont
possibles pour e�ectuer la modulation [Dub�e 96, Everett 95].
Les d�etecteurs �a micro-onde ont comme avantages d'avoir une tr�es longue port�ee (m�etres
�a kilom�etres) et une tr�es grande pr�ecision. De plus, ils sont un des seuls types de capteurs �a
être pratiquement insensibles aux conditions environnementales comme la pluie et les �ecarts
de temp�erature [Everett 95].
Mais ils ont aussi leurs inconv�enients, dont le principal est leur coût tr�es �elev�e. Une
autre caract�eristique qui les rend inad�equats pour certaines applications est la dimension
assez importante de l'�emetteur. Finalement, l'e�et des micro-ondes sur la sant�e des individus
expos�es aux rayonnements est un autre point �a consid�erer [Dub�e 96].
8
2.1.4 D�etecteurs �a infrarouge
Les d�etecteurs �a infrarouge sont des capteurs photo�electriques, c'est-�a-dire qu'ils d�etectent
l'�emission de photons. Ils peuvent être con�cus pour d�etecter des signaux optiques de di��erentes
longueurs d'onde, comme le rayonnement rouge visible ou le rayonnement infrarouge (non-
visible). Le rayonnement de type infrarouge est plus fr�equemment choisi a�n de limiter l'ef-
fet de la lumi�ere ambiante sur le syst�eme. Ces d�etecteurs peuvent fonctionner selon trois
modes d'op�eration : opposition, r�etror�eexion et di�usion [Everett 95]. En mode opposition,
l'�emetteur est positionn�e �a un endroit et projette le rayon infrarouge vers un r�ecepteur plac�e
�a une certaine distance. Tout objet passant entre les deux dispositifs coupe le rayonnement
et est ainsi d�etect�e. Ce mode est surtout appliqu�e pour des syst�emes immobiles comme les
syst�emes de d�etection de pr�esence dans les alarmes. Le mode r�etror�eexion est lui aussi utilis�e
pour des syst�emes immobiles. La di��erence vient du fait que l'�emetteur et le r�ecepteur sont
positionn�es au même endroit. Le rayon infrarouge est r�e�echi vers le r�ecepteur par un miroir
ou par un prisme r�eecteur. On peut utiliser ce syst�eme de deux fa�cons. Avec un r�eecteur
�xe, le syst�eme per�coit une pr�esence lorsque le rayon est coup�e (comme en mode opposition).
Par contre, si le r�eecteur est plac�e sur un objet mobile, on peut d�etecter la pr�esence de
cet objet lorsque le rayon y est r�e�echi et retourn�e vers le r�ecepteur. Cette derni�ere fa�con
de d�etecter requiert l'installation de r�eecteurs �a des endroits strat�egiques et exige donc de
fonctionner en milieu contrôl�e. En�n, en mode di�usion, l'�emetteur et le r�ecepteur sont encore
situ�es au même endroit, mais le rayonnement �emis est r�e�echi par un objet quelconque (sans
r�eecteur). Cette m�ethode permet de fonctionner dans des milieux non-contrôl�es car aucun
r�eecteur n'est requis. Mais comme un objet �equip�e d'un r�eecteur r�e�echit environ 3000
fois plus d'�energie qu'un objet ayant par exemple la �nition d'une feuille de papier blanc, on
obtient �evidemment en di�usion un rayon d'action du capteur beaucoup plus restreint.
Ces modes de fonctionnement du d�etecteur �a infrarouge ne permettent pas de connâ�tre
la distance exacte d'un objet. Le r�ecepteur ne donne que l'information concernant la pr�esence
ou l'absence d'un objet dans la zone couverte par le faisceau. La performance de ce type de
capteur d�epend de plusieurs facteurs, comme la forme, la r�eexivit�e, la grosseur et la vitesse
de l'objet �a d�etecter. Elle d�epend aussi des changements dans les conditions ambiantes. Il
9
est �a noter que la r�eexivit�e d'un corps d�epend de plusieurs facteurs dont notamment sa
couleur. En e�et, le noir re�ete moins bien ce type de rayonnement car il absorbe plus de
lumi�ere [Everett 95]. Les caract�eristiques du syst�eme �a d�evelopper doivent donc être �etablies
en fonction de tous ces facteurs, selon les besoins de l'application.
Il existe tout de même des syst�emes qui utilisent l'infrarouge et qui peuvent donner
une mesure de la distance d'un objet. Ils exploitent le fait que l'intensit�e du signal r�e�echi
varie selon la distance parcourue [Everett 95]. Un de ces syst�emes utilise un �emetteur et
plusieurs r�ecepteurs (1 �a 4). Ces derniers sont ajust�es �a di��erents seuils de sensibilit�e. Si
tous les r�ecepteurs d�etectent un signal, l'objet d�etect�e est consid�er�e comme �etant proche.
Si par contre la moiti�e des r�ecepteurs captent un signal, l'objet se trouve �a une distance
moyenne, etc. Une estimation de la distance est ainsi obtenue selon des plages pr�ed�e�nies. Ce
syst�eme peut mesurer des distances allant jusqu'�a 4.5 m lorsqu'il utilise quatre r�ecepteurs.
Une autre m�ethode consiste �a utiliser deux �emetteurs �a infrarouge identiques situ�es �a une
distance connue l'un de l'autre et �emettant de fa�con s�equentielle [Everett 95]. La di��erence
d'intensit�e caus�ee par l'�ecart entre les deux �emetteurs permet d'obtenir la distance de la cible.
Cette distance se calcule par la loi du carr�e inverse donn�ee par l'�equation 2.2 :
r =dq
B1B2� 1
(2.2)
o�u r est la distance de la cible, d la distance entre les �emetteurs, B1 l'intensit�e de retour du
signal de l'�emetteur 1, et B2 l'intensit�e de retour du signal de l'�emetteur 2.
Le capteur pyro�electrique utilise aussi l'�energie infrarouge. Tout corps ayant une temp�e-
rature sup�erieure au z�ero absolu �emet des radiations. Le corps humain �emet de telles radia-
tions dans une zone spectrale bien d�etermin�ee (longueur d'onde de 7 �a 16 �m) [Everett 95,
Jones 93]. Le capteur pyro�electrique permet d'identi�er ces radiations et donc de d�etecter
la pr�esence humaine. Mais dans un environnement non-contrôl�e, plusieurs autres sources,
(comme les ampoules �electriques) �emettent dans la même zone spectrale que celle du corps
humain. Ce dispositif peut donc s'av�erer inad�equat dans certaines applications en causant de
fausses d�etections.
10
2.1.5 Capteurs tactiles
Les capteurs tactiles sont des d�etecteurs sensibles au contact. Il existe plusieurs vari�et�es de
capteurs tactiles qui peuvent avoir de nombreuses formes et di��erents niveaux de sensibilit�e.
La plupart de ces capteurs ne sont pas dispendieux. Dans un syst�eme de d�etection �a distance,
ce type de capteur n'est pas le centre d'int�erêt mais peut quand même être utilis�e pour
compl�eter le syst�eme, en assurant par exemple une s�ecurit�e suppl�ementaire.
2.2 Syst�emes de perception en milieu routier
Il existe actuellement un petit nombre de dispositifs qui e�ectuent une perception �a partir
de di��erents capteurs et �a certains endroits critiques d'un v�ehicule. La pr�esente section est
une description de ces dispositifs, de leurs avantages et de leurs limitations.
2.2.1 D�etection d'obstacle en marche arri�ere sur les automobiles
Une application de ce type vient d'apparâ�tre sur le march�e de l'industrie automobile. Les
v�ehicules Ford Explorer et Windstar o�rent en option un dispositif de d�etection situ�e sur le
pare-chocs arri�ere. Il sert �a pr�evenir le conducteur de la pr�esence d'un objet ou d'une personne
pendant la marche arri�ere du v�ehicule. Il semble que le syst�eme utilise un signal ultrasonique,
bien que la compagnie Ford ne fournisse pas beaucoup d'information sur ce dispositif. Ce
dernier r�epond par un signal sonore et un signal visuel localis�e �a proximit�e de la lumi�ere
centrale �a l'arri�ere de la cabine du v�ehicule. Trois di��erents t�emoins lumineux indiquent si
l'obstacle se trouve �a la gauche, au centre ou �a la droite du v�ehicule. La Cadillac DeVille
DHS o�re aussi un syst�eme d'assistance au stationnement arri�ere. Le syst�eme utilise quatre
capteurs ultrasoniques d'une port�ee maximale d'environ cinq pieds qui s'activent quand la
vitesse du v�ehicule exc�ede environ 5 km/h en marche arri�ere. Ce syst�eme est disponible en
option au coût de 400 $US.
11
2.2.2 Barri�eres amovibles pour autobus scolaires
Pour ce qui est de la s�ecurit�e des enfants pr�es des autobus scolaires, certaines solutions
consistent en un assemblage de bras m�ecaniques [Servant 97, Triggs 93]. Il s'agit de cadres
ou de pi�eces m�etalliques rattach�es �a l'avant de l'autobus le long du pare-chocs avant. Ceux-ci
se d�eploient perpendiculairement au pare-chocs �a l'arrêt du v�ehicule, empêchant les enfants
de traverser �a l'avant. D'autres syst�emes utilisent le même principe en le combinant avec
des d�etecteurs tactiles install�es sur le bras m�ecanique. Les d�etecteurs servent �a indiquer au
conducteur qu'un objet ou une personne touche �a la barri�ere. De plus, un brevet a �et�e d�epos�e
pour un autre syst�eme utilisant ce même type de bras m�ecanique mais combin�e avec un
d�etecteur de proximit�e [Burch 92]. Ce dernier fonctionne en coordination avec le bras pour
d�etecter la pr�esence d'enfants �a l'avant de l'autobus seulement quand le bras n'est pas d�eploy�e.
2.2.3 Syst�eme de jupes de protection BBI
Les jupes de protection BBI sont un autre syst�eme propos�e pour enrayer les risques
d'accidents sur les autobus scolaires [Dub�e 96]. Elles couvrent tout l'avant de l'autobus ainsi
que la zone situ�ee devant la roue arri�ere droite. Leur rôle est d'empêcher les enfants de passer
sous les roues du v�ehicule. Elles sont faites de �bre de verre et sont mont�ees sur une structure
�elastique qui se d�eforme lorsqu'elles heurtent un objet. Cette propri�et�e fait en sorte que des
capteurs de proximit�e peuvent d�etecter la pr�esence d'objet en contact avec la jupe. Le cas
�ech�eant, le syst�eme �emet une alarme sonore et une indication visuelle de la position de l'objet
sur un �ecran. Les jupes sont r�etractables et s'abaissent automatiquement lorsque les portes
du v�ehicule s'ouvrent. Apr�es le d�epart de l'autobus, �a la vitesse approximative de 5 km/h,
elles se replacent automatiquement �a leur position initiale.
2.2.4 Syst�eme de d�etection Buster
Le syst�eme de d�etection Buster a �et�e d�evelopp�e aux laboratoires du Centre de Recherche
en Communication d'Industrie-Canada [Dub�e 96]. Il utilise la t�el�em�etrie �a ultrason pour
12
d�etecter la pr�esence d'objets ou de personnes �a l'avant d'un autobus. Deux sonars sont utilis�es
pour r�ealiser les lectures. L'unit�e Buster est activ�ee �a chaque arrêt du v�ehicule, lors de
l'ouverture des portes. La d�etection d'objets ne se fait pas imm�ediatement apr�es la r�eception
des premiers �echos, comme pour les syst�emes de d�etection classiques. Un relev�e des premiers
objets d�etect�es est d'abord r�ealis�e pour servir d'image initiale. Par la suite, la zone observ�ee
est constamment balay�ee par les sonars jusqu'�a la fermeture des portes. Si une di��erence entre
la lecture actuelle et l'image initiale est not�ee, un indicateur d'alarme est temporairement
activ�e. Il ne sera remis �a z�ero que par des balayages multiples conformes �a l'image initiale.
Cet indicateur d'alarme est test�e �a la fermeture de la porte. S'il y a lieu, un avertissement
est alors donn�e au conducteur.
2.2.5 Syst�eme Vorad Collision Warning System
Le Vorad Collision Warning System de la corporation Eaton [Birkland 97, Borenstein 96,
Everett 95] aide les conducteurs de semi-remorques �a d�etecter les v�ehicules situ�es devant ou
�a la droite de leur v�ehicule dans des conditions qui rendent la visibilit�e di�cile. La pr�esence
de brouillard, la pluie intense ou la neige peuvent en e�et nuire �a la capacit�e visuelle du
conducteur et r�eduire consid�erablement son temps de r�eaction face �a des situations dange-
reuses. Deux des causes les plus fr�equentes d'accidents pour des v�ehicules de ce genre sont
justement le manque de temps de freinage et les changements de voie sur la droite, qui se
font pratiquement �a l'aveugle. Le Vorad CWS est constitu�e principalement d'un radar �a e�et
Doppler situ�e sur le pare-chocs avant, d'un radar situ�e sur le côt�e droit du tracteur (pour les
angles morts), d'une unit�e centrale de traitement et d'un a�cheur en cabine. De plus, une
connexion au tachym�etre, un d�etecteur de rotation de la colonne de direction et un d�etecteur
de freinage permettent au syst�eme de connâ�tre les conditions d'op�eration du v�ehicule.
Le radar situ�e �a l'avant sert �a d�etecter la distance et le taux de rapprochement des
v�ehicules en avant du camion. Il �emet un faisceau de faible puissance directement vers l'avant.
Le faisceau est tr�es �etroit de fa�con �a ne rep�erer que les v�ehicules situ�es sur la même voie que le
camion. Il est con�cu pour avoir une largeur de seulement 2.4 m�etres �a une distance maximale
13
de 106 m�etres du camion. Jusqu'�a vingt v�ehicules peuvent être localis�es. Si le dispositif
d�etecte un objet moins rapide que le camion ou compl�etement arrêt�e �a une distance de cent
m�etres ou moins, un signal lumineux apparâ�t sur l'a�cheur situ�e sur le tableau de bord
du conducteur. Il est compos�e principalement de trois t�emoins lumineux, d'un avertisseur
sonore et de quelques boutons d'ajustement. Trois secondes avant qu'un impact puisse avoir
lieu, une lumi�ere jaune s'allume ; �a deux secondes, une lumi�ere orange s'ajoute �a la jaune ;
une seconde avant l'impact, une lumi�ere rouge s'allume �a son tour et un signal sonore se
fait entendre. La vitesse relative des v�ehicules d�etect�es est calcul�ee. Il est alors possible
d'estimer l'intervalle de temps avant impact. De cette fa�con, un v�ehicule en arrêt complet
fera d�eclencher les di��erentes alertes �a une plus grande distance (plus rapidement) qu'un
v�ehicule en mouvement. De plus, lorsque le camion quitte une position d'arrêt, une alarme se
fait entendre a�n d'avertir le conducteur de la pr�esence d'obstacles jusqu'�a 3.5 m�etres devant
le camion.
Le radar situ�e sur le côt�e droit du tracteur sert pour sa part �a avertir le conducteur de
la pr�esence de v�ehicules sur sa droite. Ainsi, même si un v�ehicule n'est pas visible dans le
r�etroviseur, le conducteur sait qu'il ne doit pas e�ectuer un changement de voie. Pour cette
fonction, l'a�cheur est situ�e tout pr�es du miroir droit, a�n d'attirer l'attention du conducteur
lorsqu'il v�eri�e la pr�esence de v�ehicules dans son miroir.
En 1992, 2400 autobus de la soci�et�e Greyhound ont �et�e �equip�es du syst�eme de pr�evention
de collision Vorad CWS. Le taux d'accidents, pour l'ann�ee 1993, a alors chut�e de 21%.
Di��erents exemples concernant le même syst�eme ont aussi �et�e examin�es pour une utilisa-
tion sur des ottes de camions. La compilation des r�esultats r�ecolt�es aupr�es de plusieurs
compagnies ayant utilis�e ce syst�eme indique que 473 camions ont utilis�e le syst�eme CWS
pendant un an ou plus, parcourant une distance de 47.5 millions de milles. Pour les v�ehicules
n'utilisant pas ce syst�eme, un taux de 1.61 accidents par million de milles a �et�e relev�e. Les
v�ehicules ayant utilis�e le syst�eme de pr�evention ont pour leur part enregistr�e un taux de 0.38
accident par million de milles. Ces r�esultats repr�esentent une r�eduction du nombre d'accidents
de l'ordre de 76%.
14
2.3 Limitations des syst�emes existants
Certains des syst�emes pr�esent�es ne r�epondent qu'�a un nombre limit�e de situations par un
comportement souvent unique. Par exemple, le syst�eme de barri�eres amovibles pour autobus
scolaires a une seule fonction qui est de s'ouvrir lorsque le v�ehicule s'arrête. Lorsque les
barri�eres se referment et que l'autobus red�emarre, un enfant peut toujours se placer dans la
trajectoire de ce dernier et être victime d'un accident. De plus, les situations dangereuses qui
pourraient survenir pendant les d�eplacements du v�ehicule, même �a basse vitesse, ne peuvent
être empêch�ees. En fait, selon la d�e�nition �etablie en introduction, le syst�eme de barri�eres
amovibles n'est pas vraiment un syst�eme intelligent. Le syst�eme de d�etection Buster est
�egalement activ�e seulement pendant l'arrêt du v�ehicule. Par contre, le comportement de ce
syst�eme n'est pas toujours le même selon les situations, ce qui en fait d�ej�a un syst�eme plus
\intelligent". Un crit�ere de r�ep�etabilit�e est utilis�e pour v�eri�er le bien-fond�e d'une d�etection
qui sera indiqu�ee au conducteur uniquement �a la fermeture des portes. Dans le cas des jupes
de protection BBI, leur seule fonction est d'empêcher le corps d'une personne de passer sous
l'autobus. Le syst�eme ne r�ealise aucune d�etection avant impact et ne fait que diminuer les
risques de blessure mortelle. Il n'y a pas de traitement d'information autre que d'indiquer au
conducteur l'endroit o�u l'impact a eu lieu. Pour leur part, les syst�emes de d�etection sur les
automobiles ne fonctionnent qu'en marche arri�ere et donne un signal au conducteur aussitôt
qu'un capteur re�coit un �echo. Aucune v�eri�cation de la validit�e du r�esultat n'est faite par un
crit�ere de r�ep�etabilit�e quelconque ou par une redondance dans la perception.
Le syst�eme Vorad est plus polyvalent car il peut r�epondre �a une multitude de situations.
Il o�re une v�eritable assistance �a l'humain en adaptant son comportement selon les di��erents
�ev�enements per�cus (par exemple la vitesse et la direction du camion). Par contre, il sert
surtout �a �eviter les accidents dus au manque de temps de freinage en calculant la vitesse de
rapprochement des v�ehicules �a l'avant du camion. De plus, il faut consid�erer le coût �elev�e
d'un tel syst�eme qui se rapproche des 3000 $US par v�ehicule. N�eanmoins, le syst�eme Vorad
CWS d�emontre bien qu'un syst�eme intelligent peut faciliter le travail d'un conducteur et par
le fait même r�eduire de beaucoup le taux d'accidents.
15
Chapitre 3
Description du syst�eme d'assistance �a
la perception SIAPCoV
L'objectif du projet consiste �a concevoir un syst�eme d'assistance �a la perception plus
performant, corrigeant certaines lacunes des syst�emes actuels. Le pr�esent chapitre d�ecrit le
syst�eme con�cu, les choix de conception ainsi que le rôle et le fonctionnement de chacune de
ses composantes, pr�esent�ees �a la �gure 3.1. Un microcontrôleur re�coit en entr�ee la vitesse et
la direction du v�ehicule. Il contrôle aussi l'acquisition de donn�ees issues des sonars, avec l'aide
d'un circuit de multiplexage et de pilotes de sonars. Le microprocesseur est programm�e pour
traiter ces informations a�n de v�eri�er la pr�esence d'objet �a proximit�e et retourne le r�esultat
de son analyse �a une interface visuelle et sonore localis�ee dans la cabine du conducteur.
3.1 Capteurs ultrasoniques
Le choix des capteurs utilis�es est fait parmi ceux qui sont d�ecrits �a la section 2.1. Plusieurs
facteurs sont pris en consid�eration pour e�ectuer ce choix. Premi�erement, il faut consid�erer
les conditions d'op�eration des capteurs. Dans notre cas, ils doivent faire face aux conditions
ext�erieures telles la pluie, la neige, la vibration, le vent, etc. De plus, il faut consid�erer
le mouvement du v�ehicule ainsi que le mouvement des objets d�etect�es et leur nature. Les
16
Fig. 3.1: Organisation des composantes mat�erielles de SIAPCoV.
limitations des capteurs face �a de telles conditions ont une grande importance.
Le capteur ultrasonique, le sonar, a �et�e choisi pour plusieurs raisons. La premi�ere est
sans contredit son faible coût. Un syst�eme de d�etection qui est con�cu dans le but d'être
install�e sur des v�ehicules automobiles ne peut se permettre d'utiliser un type de capteur
coûteux. Dans l'industrie automobile, il s'agit d'un crit�ere de toute premi�ere importance.
Or, le sonar pr�esente sans doute le meilleur rapport entre la pr�ecision des lectures obtenues
et son prix. De plus, certains mod�eles de sonars ont des caract�eristiques tr�es int�eressantes
quant �a leur r�esistance aux conditions climatiques ext�erieures. Dans notre cas, le sonar de
classe environnementale de la s�erie 600 de Polaroid a �et�e choisi. Il permet une d�etection
allant th�eoriquement de 25 cm �a 10 m, ce qui est su�sant pour la pr�esente application. De
plus, il tol�ere des conditions susceptibles d'être rencontr�ees en milieu routier. En e�et, des
tests r�ealis�es par le fabricant assurent que le sonar Polaroid s�erie 600 peut r�esister �a des
temp�eratures allant de �29�C �a 71�C en fonctionnement, et de �40�C �a 120�C en repos.
Il r�esiste aussi �a des cycles de variation drastique de temp�erature (�30�C �a 20�C en 20
minutes) même lorsque vaporis�e avec de l'eau. Il peut être vaporis�e d'une solution sal�ee �a 5%
durant 96 heures �a une temp�erature de 35�C. Il peut subir des chocs d'un maximum de 50
G crête dans la direction des trois axes perpendiculaires, et une vibration d'une dur�ee de 6
minutes correspondant �a des pulsations de 6.5 ms d'une force de 6 G RMS et �a une fr�equence
17
de 20 �a 2000 Hz. Il r�esiste �a une immersion de 24 heures dans l'eau, en autant que seule
sa face avant soit immerg�ee. Il peut être expos�e �a des produits chimiques comme l'essence,
l'ac�etone et l'anhydride sulfureux sous certaines conditions et �nalement, il peut tol�erer un
bombardement de sable vers�e �a quatre pieds au-dessus du capteur sur sa surface avant.
Ces caract�eristiques font du sonar un choix sup�erieur aux capteurs au laser et �a micro-
ondes. Ces derniers montrent des caract�eristiques tr�es int�eressantes quant �a leur port�ee et
�a leur pr�ecision mais ils sou�rent de lacunes incontournables, telles un prix tr�es �elev�e et
une taille imposante des �emetteurs. Le capteur au laser est, de plus, tr�es capricieux quant �a
l'entretien et �a la pr�ecision de son ajustement. Le sonar s'av�ere donc le meilleur choix pour
l'application �etudi�ee dans le pr�esent ouvrage.
Bien sûr, les limitations inh�erentes �a l'utilisation du sonar (voir section 2.1.1) doivent
être contr�ees lorsqu'elles nuisent au rendement du syst�eme. Dans le cas pr�esent, la plupart
des lacunes reli�ees �a l'emploi du sonar n'ont que peu d'inuence sur les donn�ees obtenues. Par
exemple, les variations de temp�erature a�ectent les mesures, mais elles le font proportionnel-
lement �a la distance. Comme mentionn�e pr�ec�edemment, pour un obstacle situ�e �a 11 m�etres,
un �ecart de temp�erature de 30�C peut causer une erreur de 30 cm sur la distance per�cue.
Mais pour un obstacle situ�e �a 3 m, l'erreur n'est que de 7.8 cm. Comme la pr�ecision dans
les lectures est moins critique pour les obstacles distants, l'inuence de la temp�erature sur
les distances per�cues peut donc être consid�er�ee n�egligeable. La même conclusion est possible
pour ce qui est de l'ouverture importante du faisceau des sonars. Sur des distances assez
grandes, cette ouverture de 15� peut entrâ�ner une impr�ecision en ce qui concerne la position
lat�erale de l'objet d�etect�e. �A courte distance toutefois, comme dans le cas de SIAPCoV, la
pr�ecision obtenue est consid�er�ee su�sante.
3.1.1 Disposition des capteurs
La disposition des capteurs sur le v�ehicule peut aussi minimiser certaines lacunes. Dans
le syst�eme con�cu, trois modules identiques sont utilis�es, chacun comportant deux sonars, a�n
de faciliter l'installation et l'ajustement des faisceaux d'ultrasons. Les sources d'ultrasons
18
sont r�eparties sur trois modules a�n de bien couvrir tout l'espace de perception �a l'avant
du v�ehicule et r�eduire ainsi les zones de non-d�etection. La g�eom�etrie particuli�ere des sonars,
montr�ee �a la �gure 3.2, permet de contrer en partie une autre lacune du capteur ultrasonique :
la r�eexion sp�eculaire, dont il est question �a la section 2.1.1. Le chevauchement des faisceaux
peut sembler inutile et amener de la redondance dans les r�esultats mais une telle redondance
peut quelques fois être pro�table. En e�et, le sonar, sous certains angles, peut avoir de
la di�cult�e �a percevoir un obstacle lorsque celui-ci est lisse. Avec la g�eom�etrie pr�esent�ee, la
plupart des zones sont couvertes par deux ou même parfois trois sonars situ�es sur des modules
di��erents. Ceci a pour e�et de fournir di��erents angles de \vision" et donc de r�eduire quelque
peu le risque de non-d�etection caus�e par la r�eexion sp�eculaire. Par contre, il faut pr�eciser que
dans l'application pr�esent�ee ici, la d�etection de pr�esence humaine �a l'avant des gros v�ehicules
est le principal objectif et que ce type d'obstacle ne provoque pas trop de r�eexion sp�eculaire.
De plus, comme mentionn�e �a la section 2.1.1, la lecture d'un sonar peut être fauss�ee par le
signal �emis par un autre capteur ultrasonique. Cette remarque est tr�es importante dans les
cas o�u plusieurs sonars �emettent en même temps. En ce qui concerne le prototype actuel de
SIAPCoV, un seul sonar �a la fois �emet et re�coit des ultrasons. Le \tir" se fait donc de fa�con
s�equentielle, ce qui �elimine presque tout risque d'interf�erence entre sonars. N�eanmoins, la
s�equence d'activation est modi��ee pour r�eduire les chances qu'une partie d'onde ne revienne
par r�eexion multiple au prochain sonar lors de l'activation de ce dernier. Le principe est
simplement d'activer les sonars dans le d�esordre, ce qui permet d'�eloigner le plus possible les
sources d'ultrasons cons�ecutives. La �gure 3.2 montre la r�epartition des capteurs sur l'avant
d'un v�ehicule ainsi que leur s�equence d'activation par les chi�res encercl�es. La partie agrandie
repr�esente un module de d�etection regroupant deux sonars. Cette conception par modules
permet de faciliter l'installation du syst�eme et l'ajout de modules additionnels (par exemple
pour la d�etection arri�ere), tout en permettant une couverture presque totale de la zone avant
du v�ehicule.
En ce qui concerne l'interf�erence, des pr�ecautions sont aussi prises en pr�evision de l'ajout
des modules pour la d�etection arri�ere. Dans un tel cas, un sonar de la partie avant et un de
la partie arri�ere �emettraient en même temps. Pour minimiser les chances d'interf�erence par
une r�eexion ind�esirable des ondes, la s�equence d'activation est donc organis�ee de fa�con �a
19
Fig. 3.2: R�epartition des capteurs �a l'avant d'un v�ehicule.
garder continuellement un �ecart maximal entre les faisceaux des sonars synchronis�es (avant
et arri�ere). On peut noter sur la �gure 3.3 qu'un angle d'environ 180� s�epare toujours les
faisceaux des sonars synchronis�es. Ce principe est souvent utilis�e en robotique mobile avec
les anneaux de sonars qui assurent la perception tout autour du robot. Un angle de 60� entre
les faisceaux des sonars actifs est g�en�eralement consid�er�e su�sant pour enrayer une bonne
partie des risques d'interf�erence1.
3.2 Pilote de sonars
Le sonar agit comme un transducteur en transformant des s�eries d'impulsions �electriques
en ondes ultrasoniques qui servent �a d�etecter les obstacles. Ces s�eries intermittentes de 16
impulsions sont produites par un pilote de sonars, le module 6500 de Polaroid. La �gure 3.4
1URL : http ://cimar.me.u.edu/~carl/af/obst.html
20
Fig. 3.3: �Ecart entre deux faisceaux synchronis�es.
pr�esente les signaux g�en�er�es dans le processus de d�etection par ultrasons. La d�etection est
command�ee par le signal Init. Lorsque le pilote de sonars re�coit ce signal, il transmet au
sonar une s�erie de 16 impulsions de 400 V d'amplitude �a 50 kHz. Au même moment, le signal
BLNK de non-d�etection est activ�e pour une p�eriode de 1 ms pour empêcher une d�etection des
ultrasons �a leur envoi. Cette courte p�eriode de non-d�etection correspond au temps que prend
l'onde pour franchir une distance d'environ 50 cm, ce qui explique la distance minimale de 25
cm �a laquelle un obstacle peut être d�etect�e (50 cm �etant le trajet de l'onde en aller-retour).
Quand le signal BLNK retombe �a z�ero, le pilote attend que le transducteur soit �a nouveau
excit�e mais cette fois par le signal ultrasonique r�e�echi par un obstacle. Cette d�etection est
�eventuellement transmise au syst�eme par le signal �Echo. La distance de d�etection maximale
d'environ 10 m�etres s'explique par l'a�aiblissement du signal ultrasonique et surtout par le
fait que seulement une faible portion du signal est r�e�echie par les obstacles vers le sonar.
Fig. 3.4: Signaux g�en�er�es dans le processus de d�etection par t�el�em�etrie ultrasonique.
Il faut noter que le pilote de sonars ne calcule pas la distance de l'obstacle. Il ne fait que
21
transmettre le signal d'�echo, provenant du sonar, au microprocesseur. Le calcul de distance est
ensuite e�ectu�e par ce dernier, selon l'explication donn�ee �a la section 3.4. Dans le prototype
actuel, un pilote de sonar est plac�e dans chacun des modules de d�etection a�n de r�eduire
la longueur des �ls entre les pilotes et les sonars. Ces �ls, transportant un signal de 400 V
d'amplitude, peuvent en e�et fausser les lectures s'ils ne sont pas isol�es convenablement.
3.3 Circuit multiplexeur
Un circuit multiplexeur est n�ecessaire pour s�electionner tour �a tour un des sonars. La
�gure 3.5 montre le circuit qui e�ectue cette tâche. La puce 74LS138 est un d�ecodeur 8 bits qui
permet l'activation d'une seule des huit sorties �a partir de trois entr�ees de s�election binaires
(A, B et C sur la �gure 3.5). Les puces MOC3042 sont pour leur part des opto-isolateurs
(Triac) qui laissent passer le courant uniquement lorsque s�electionn�es par une des sorties du
d�ecodeur.
Fig. 3.5: Multiplexage de la sortie vers les sonars.
Comme huit sorties sont disponibles sur le d�ecodeur, il serait possible d'utiliser jusqu'�a
huit sonars pour un seul circuit multiplexeur. Le syst�eme con�cu pourrait donc facilement
22
utiliser deux sonars additionnels si cela s'av�erait n�ecessaire, sans aucune modi�cation du
circuit pr�esent�e.
3.4 Microcontrôleur
Le microcontrôleur est l'�el�ement central du syst�eme. C'est lui qui coordonne les activit�es
�a l'aide de son horloge interne. Il contrôle la s�equence d'activation des sonars et la fr�equence
de d�etection via le circuit multiplexeur (voir section 3.3) et envoie le signal Init aux pilotes
de sonars a�n de commander une d�etection (voir section 3.2). C'est aussi le microcontrôleur
qui calcule les distances tir�ees des lectures des sonars �a partir de l'intervalle de temps �ecoul�e
entre l'envoi et la r�eception des ultrasons. De fa�con plus pr�ecise, voici dans l'ordre les �etapes
e�ectu�ees par le microprocesseur :
1. S�election d'un sonar via le circuit multiplexeur (selon l'ordre montr�e �a la �gure 3.2).
2. M�emorisation du temps de l'horloge interne (ti).
3. Activation du sonar en envoyant le signal Init au pilote de sonar qui g�en�ere les impul-
sions �a 400 V.
4. Apr�es 1 ms, attente d'un retour des ultrasons au transducteur (ce qui g�en�ere une in-
terruption). Le d�elai de 1 ms est n�ecessaire pour �eviter de capter comme un retour le
signal �a son envoi.
5. Enregistrement du temps d'�echo te �a l'arriv�ee du signal r�e�echi.
6. Calcul du temps de vol du signal ultrasonique, soit te � ti.
7. Si un certain d�elai est d�epass�e, retour d'une valeur n�egative qui indique l'absence d'obs-
tacle. Sinon, conversion du temps de vol en distance (d = v�t2
o�u v est la vitesse du son
et t est le temps de vol).
8. R�ep�etition des �etapes 1 �a 7 pour chacun des 6 sonars.
9. Calcul du danger de collision �a partir des 6 distances obtenues, de la vitesse et de la
direction du v�ehicule (voir section 4).
10. A�chage du r�esultat au conducteur.
23
Le programme con�cu pour mettre en �uvre ces �etapes est cod�e en langage ANSI C et compil�e
en assembleur avec le compilateur Introl-Code 4.0.
Le prototype pr�esent�e dans cet ouvrage utilise comme microcontrôleur la carte Ersatz
d�evelopp�ee par Serge Caron, technicien �a l'Universit�e de Sherbrooke. Cette carte est bas�ee sur
l'architecture du microprocesseur 68HC11 de Motorola. �A l'origine, il a �et�e choisi d'utiliser
le 68HC11 �etant donn�e son usage fr�equent dans le domaine de l'automobile et son coût peu
�elev�e. �A la section 5.4, la pertinence de son utilisation est �evalu�ee en consid�erant les exigences
temps r�eel de la pr�esente application.
3.5 Interface avec l'usager
Les r�esultats du calcul e�ectu�e par le syst�eme sont transmis �a une interface visuelle
et sonore con�cue pour pr�evenir le conducteur des situations dangereuses. Cette interface
est plac�ee dans la cabine du conducteur �a un endroit qui attire son attention au moindre
changement, comme par exemple juste au-dessus du tableau de bord. Selon la situation
d�etect�ee, un t�emoin lumineux d'une couleur particuli�ere et un avertisseur sonore informent
le conducteur de la nature du danger. La �gure 3.6 pr�esente l'apparence de l'interface en
question. Trois paires de voyants lumineux repr�esentent l'espace de perception �a l'avant du
v�ehicule : une pour les obstacles provenant de l'avant-gauche, une pour les obstacles �a l'avant-
centre et une pour ceux �a l'avant-droite du v�ehicule. Quand un obstacle est d�etect�e, le syst�eme
calcule le niveau de danger et d�etermine de quel endroit il provient. Aucun signal n'est donn�e
au conducteur si le danger calcul�e est bas. Un voyant jaune s'allume si le danger calcul�e est
moyennement bas. Un voyant rouge s'allume si le danger est moyennement �elev�e. Finalement,
dans le cas d'un danger �elev�e, un voyant rouge s'allume et un signal sonore se fait entendre.
Fig. 3.6: Interface visuelle et sonore situ�ee au-dessus du tableau de bord.
24
�Eventuellement, un contrôle automatique des freins pourrait être envisag�e a�n d'assister
le conducteur dans certaines situations d'urgence et ainsi am�eliorer le temps de r�eaction
du conducteur. En e�et, pour un conducteur moyen, une seconde compl�ete peut s'�ecouler
entre le moment o�u il per�coit un danger et le moment o�u il appuie sur les freins. Ce temps
de r�eaction, combin�e au temps de freinage du v�ehicule �a partir d'une vitesse de 10 km/h,
correspond �a une distance de 4.6 m avant l'arrêt complet du v�ehicule2. Avec un contrôle
assist�e des freins, cette distance pourrait être passablement r�eduite en diminuant le temps
requis pour l'activation des freins. Par contre, l'�elaboration d'un tel contrôle demande une
analyse tr�es compl�ete de son impact sur la conduite et de sa s�ecurit�e, ce qui repr�esente en
soi une recherche importante. Le pr�esent ouvrage n'aborde pas cette question.
2URL : http ://www.e-z.net/~ts/
25
Chapitre 4
Fusion des donn�ees
Les syst�emes qui utilisent plusieurs types de capteurs sont de plus en plus prometteurs. Ils
permettent une pr�ecision accrue, une plus grande port�ee de d�etection, une �abilit�e sup�erieure,
une acquisition plus rapide des donn�ees, etc. [Mauris 98]. C'est pour cette raison que l'usage
de di��erents types de capteurs est maintenant fr�equent dans des applications comme la robo-
tique mobile. De plus en plus de syst�emes comportent de nombreux capteurs qui acqui�erent
de l'information compl�ementaire ou redondante a�n d'obtenir une perception plus compl�ete
ou plus �able de leur environnement. Mais la fa�con de g�erer l'information provenant de
tous ces capteurs demeure une pr�eoccupation. Il est di�cile de combiner des donn�ees d'ori-
gine di��erente, comme la distance des obstacles, la vitesse et la direction du v�ehicule dans
notre cas, d'une fa�con syst�ematique et standardis�ee. Il y a donc un besoin croissant pour
des m�ethodes e�caces de fusion de donn�ees, et beaucoup de recherches sont actuellement
consacr�ees �a ce sujet. La section 4.1 donne un aper�cu des d�eveloppements dans ce domaine
de recherche. La section 4.2.1 pr�esente en premier lieu une approche simple mais non-optimale
de fusion, et la section 4.2.2 pr�esente ensuite les approches retenues pour SIAPCoV.
26
4.1 Approches actuelles
Il existe actuellement deux niveaux de fusion de capteurs [Kam 97]. La fusion de bas
niveau est utilis�ee pour une int�egration directe des donn�ees provenant des capteurs, a�n
d'obtenir des param�etres ou des estimations d'�etat. Des exemples de fusion de bas niveau
sont donn�es dans [Mauris 98, Umeda 96, Flynn 88, Zhang 92]. Pour bien comprendre ce type
de fusion, prenons l'application simple donn�ee par [Flynn 88]. Dans cet exemple, le but est
d'utiliser des capteurs ultrasoniques et infrarouges pour donner �a un robot une repr�esentation
pr�ecise de l'environnement. Comme le sonar utilise un faisceau trop large pour bien d�etecter
les ouvertures comme les portes, et comme le capteur infrarouge est pour sa part impr�ecis
en ce qui concerne les distances, l'utilisation d'un seul de ces capteurs ne permet pas une
repr�esentation su�samment pr�ecise de l'environnement. Les deux types de capteurs peuvent
alors se compl�eter a�n que les avantages de l'un compensent pour les d�esavantages de l'autre.
La fusion est donc n�ecessaire pour que le syst�eme puisse interpr�eter ensemble ces lectures
de nature di��erente. Elle est ici r�ealis�ee de fa�con tr�es simple par les r�egles suivantes qui
d�eterminent si les lectures d'un ou l'autre des capteurs sont valides et quelle lecture doit être
utilis�ee en cas d'information conictuelle ou redondante :
1. Si la lecture du sonar est plus grande que la port�ee maximale du capteur infrarouge,
alors ignorer la lecture du capteur infrarouge.
2. Si la lecture du sonar est �a sa valeur maximale, alors la vraie distance est plus grande.
3. Si le capteur infrarouge d�etecte un changement de non-d�etection �a d�etection, et si la
lecture du sonar est de 10 pieds ou moins, alors une mesure �able de distance est
mesur�ee.
Bien que tr�es simple, cet exemple illustre le caract�ere direct de l'int�egration qui sert �a
d�eterminer des param�etres pour la fabrication d'une carte topologique. Deux m�ethodes sont
g�en�eralement consid�er�ees pour r�ealiser une fusion de bas niveau : la premi�ere est bas�ee sur
des th�eories statistiques comme les moyennes pond�er�ees, les �ltres de Kalman, l'approche de
Bayesian et celle de Dempster-Shafer. Un bon aper�cu de ces techniques est pr�esent�e par Luo
and Kay [Luo 95]. Elles ont donn�e de bons r�esultats dans plusieurs applications mais elles
peuvent comporter des inconv�enients majeurs. Par exemple, la prise de d�ecision doit respecter
27
des conditions d'utilisation s�ev�eres (repr�esentation d'un mod�ele de l'environnement, mod�ele
stochastique des capteurs, hypoth�ese de bruit gaussien, etc.). De plus, ces techniques ne sont
pas bien adapt�ees aux cas o�u la fusion implique des informations compl�ementaires de nature
di��erente. La seconde m�ethode est bas�ee sur des techniques issues de l'intelligence arti�-
cielle. Elle ne n�ecessite aucun mod�ele de l'environnement ou des capteurs utilis�es. La logique
oue [Mauris 98, Zhang 92], les r�eseaux de neurones, ou une combinaison des deux [Harris 97]
sont des approches utilis�ees. La logique oue, entre autres, s'est av�er�ee e�cace quand le trai-
tement �a r�ealiser est di�cile �a mod�eliser et quand il existe une connaissance heuristique
signi�cative provenant de l'exp�erience d'op�erateurs humains.
La fusion de haut niveau est pour sa part utilis�ee pour l'int�egration indirecte des donn�ees
dans des architectures hi�erarchiques. Cette int�egration se fait par l'arbitrage de commandes ou
par la combinaison de signaux de contrôle donn�es par di��erents modules dans un syst�eme. Ce
type de fusion est utilis�e entre autres dans les travaux de [Brooks 91, Mataric 92, Michaud 96].
Le but consiste �a fusionner les r�esultats issus de di��erents modules qui ont chacun des objectifs
particuliers. La contribution de chacun des modules provient du traitement des capteurs ainsi
que des �etats du syst�eme.
4.2 Approche de fusion de SIAPCoV
D'apr�es la description des m�ethodes de fusion actuelles, SIAPCoV n�ecessiterait une fusion
de bas niveau puisque les donn�ees sont utilis�ees directement pour obtenir une estimation
d'�etat (le danger de collision), et qu'il n'y a aucune architecture hi�erarchique dans le syst�eme.
Un choix s'impose alors entre les m�ethodes bas�ees sur les th�eories statistiques et celles qui
font appel �a l'intelligence arti�cielle.
Dans plusieurs applications, il est possible d'�etablir un mod�ele math�ematique permet-
tant de repr�esenter le comportement du syst�eme pour toutes les valeurs possibles d'entr�ees.
Mais dans certains cas, un tel mod�ele peut s'av�erer tr�es compliqu�e �a d�e�nir. Quelques fois,
les �equations n�ecessaires sont tr�es complexes ou doivent varier dynamiquement selon le point
28
d'op�eration du syst�eme. Dans ces situations, le mod�ele con�cu peut demander une puissance
de calcul trop �elev�ee. D'autres fois, le comportement du syst�eme est non-lin�eaire ou di�cile �a
caract�eriser pour arriver �a d�e�nir un mod�ele math�ematique e�cace. Dans la pr�esente applica-
tion, aucun mod�ele ne peut être d�e�ni pour repr�esenter les conditions d'op�eration auxquelles
SIAPCoV doit faire face. Il n'y a pas non plus de mod�ele tr�es �d�ele en ce qui concerne les
capteurs utilis�es. Les m�ethodes bas�ees sur les th�eories statistiques ne seraient donc pas tr�es
adapt�ees �a la pr�esente application. �A l'oppos�e, le comportement du syst�eme peut assez faci-
lement être d�eduit de fa�con intuitive �a partir des connaissances d'utilisateurs. En e�et, si le
v�ehicule avance �a grande vitesse et qu'un obstacle se trouve �a un m�etre directement dans sa
trajectoire, il est facile d'a�rmer que le danger de collision est �elev�e. Si le v�ehicule avance �a
une vitesse inf�erieure ou si l'obstacle est plus loin, le danger s'en trouve �evidemment diminu�e.
Cette fa�con de raisonner correspond bien au genre de connaissance heuristique qui peut servir
�a �etablir la politique de fusion requise pour SIAPCoV.
La section 4.2.1 d�ecrit une fusion r�ealis�ee par de simples conditions logiques et la th�eorie
classique des ensembles. La conception d'une telle m�ethode de fusion peut devenir tr�es fasti-
dieuse pour des probl�emes d'une certaine envergure. Pour cette raison, certaines techniques
reli�ees �a l'intelligence arti�cielle s'av�erent tr�es int�eressantes. Elles permettent de simpli�er la
conception tout en obtenant une pr�ecision am�elior�ee des r�esultats et une bonne rapidit�e de
traitement. La section 4.2.2 pr�esente une telle approche bas�ee sur la logique oue.
4.2.1 Fusion par la th�eorie classique des ensembles
Il est possible d'e�ectuer la fusion de di��erents types de donn�ees en subdivisant le do-
maine de chaque entr�ee en plusieurs intervalles (ensembles) et en associant ces intervalles
entre eux pour en d�eduire un niveau de sortie. Ces associations d'intervalles forment une
longue s�erie de r�egles math�ematiques de la forme suivante :
{ Si (8 � Distance < 12) et (0 � Vitesse < 4) et (0 � Direction < 10)
Alors Danger = 0
29
{ Si (5 � Distance < 8) et (0 � Vitesse < 4) et (0 � Direction < 10)
Alors Danger = 100
dont une seule peut être s�electionn�ee �a la fois. Par exemple, si un obstacle est d�etect�e �a 9 m
de distance alors que le v�ehicule roule �a 3 km/h dans une direction de 8�, la premi�ere r�egle
sera s�electionn�ee et le danger de collision en sortie sera de z�ero. La principale lacune de cette
m�ethode est son manque de discernement dans les cas incertains ou limites. En e�et, si la
distance d'un obstacle est de 8 m, la premi�ere r�egle est s�electionn�ee, indiquant un danger
de z�ero. Pourtant, une distance tr�es semblable de 7.9 m active la deuxi�eme r�egle et donne
un danger de 100, bien que l'obstacle soit pratiquement au même endroit. Bien entendu, la
gravit�e de ce probl�eme peut être diminu�ee en utilisant un plus grand nombre d'intervalles et
donc un plus grand nombre de r�egles. Ainsi, il serait possible dans notre exemple de cr�eer
une r�egle interm�ediaire indiquant par exemple un danger de 50. En e�et, plus les entr�ees sont
divis�ees en un nombre �elev�e d'intervalles, plus la pr�ecision du syst�eme augmente. Mais cette
pr�ecision accrue rend le syst�eme plus fastidieux �a concevoir et �a valider, et surtout plus lent �a
l'ex�ecution �a cause du plus grand nombre de conditions que le syst�eme doit v�eri�er. Comme
la pr�ecision et la vitesse de traitement sont des caract�eristiques de la plus haute importance
pour un syst�eme temps-r�eel, cette m�ethode s'av�ere peu appropri�ee pour l'application �etudi�ee,
ou du moins non-optimale.
4.2.2 Fusion oue
La logique oue est en quelque sorte un prolongement de la th�eorie classique des en-
sembles [Yen 99]. Dans celle-ci, un ensemble (un intervalle) a une fronti�ere stricte. En logique
oue par contre, un objet peut ne faire que partiellement partie d'un ensemble. Par exemple,
si Loin et Tr�es loin sont deux ensembles ous, un objet situ�e �a une distance correspondant �a la
limite entre les deux ensembles pourrait être partiellement inclus dans chacun des ensembles
ous et être ainsi en partie Loin et Tr�es loin �a la fois. C'est cette caract�eristique qui permet �a
la logique oue d'être un outil puissant. Il est alors possible d'interpoler la sortie du syst�eme
�a partir des conclusions de plusieurs r�egles, puisque plusieurs sont activ�ees simultan�ement.
Ainsi, la sortie d'un syst�eme peut avoir des valeurs beaucoup plus pr�ecises sans pour autant
30
n�ecessiter l'ajout de r�egles suppl�ementaires. Ceci permet aussi d'inclure l'incertitude dans
les calculs. De plus, la logique oue facilite l'�elaboration des r�egles de contrôle d'une fa�con
intuitive en permettant l'utilisation de termes linguistiques qui viennent quali�er l'amplitude
d'une donn�ee, comme le fait l'humain. Voici un exemple de telles r�egles faciles �a concevoir, �a
comprendre et �a utiliser :
{ SI la Distance 1 est Pr�es ET la Vitesse est Vite ET l'Inuence du sonar 1 est Grande
ALORS le Danger est Haut
{ SI la Distance 1 est MoyenPr�es ET la Vitesse est MoyenVite ET l'Inuence du sonar 1 est
Grande
ALORS le Danger est MoyenHaut
{ SI la Distance 2 est Loin ET la Vitesse est Lente ET l'Inuence du sonar 2 est Grande
ALORS le Danger est Bas
Dans ces r�egles, la partie commen�cant par SI est la partie ant�ec�edent et celle commen�cant
par ALORS est la partie cons�equence. La variable Distance 1 repr�esente la distance indiqu�ee
par le sonar 1 (le plus �a gauche) et la variable Vitesse repr�esente la vitesse du v�ehicule.
La variable Inuence du sonar 1 requiert une explication suppl�ementaire car elle n'est pas
directement une entr�ee du syst�eme. En e�et, l'entr�ee du syst�eme est plutôt la direction des
roues, un angle allant de �50 �a 50�. Comme on peut le voir �a la �gure 4.1, un angle des
roues de �50� signi�e que le v�ehicule se dirige compl�etement sur la droite alors qu'un angle
de 0� donne une trajectoire rectiligne et qu'un angle de 50� donne une trajectoire courbe
compl�etement vers la gauche. L'entr�ee est donc l'angle des roues mais elle est utilis�ee a�n de
d�eterminer quelle inuence aura chaque sonar sur la d�ecision selon la direction du v�ehicule.
Pour donner un exemple concret, supposons qu'�a un instant donn�e la direction du v�ehicule
est de �25� (25� vers la droite). Dans ce cas pr�ecis, le syst�eme d�eterminera que le sonar situ�e
�a l'extrême gauche (le sonar 1) doit moins inuencer la d�ecision car ce qu'il per�coit n'est pas
directement dans la trajectoire du v�ehicule. Toutes les r�egles dans lesquelles l'inuence du
sonar 1 est petite seront donc activ�ees.
Voici les �etapes qui expliquent comment le contrôleur ou standard peut appliquer des
r�egles comme celles donn�ees pr�ec�edemment en exemple :
31
Fig. 4.1: Convention utilis�ee pour la direction du v�ehicule.
1. Fuzzi�cation.
2. �Evaluation des r�egles.
3. Combinaison.
4. D�efuzzi�cation.
La premi�ere �etape, la fuzzi�cation, sert �a d�eterminer �a quel point une entr�ee fait partie d'un
ensemble. La fuzzi�cation se fait �a l'aide de fonctions d'appartenance. Il s'agit de fonctions qui
attribuent �a une entr�ee un degr�e allant de 0 �a 1 selon son appartenance �a chaque ensemble ou.
Un degr�e de 0 signi�e que l'entr�ee n'appartient pas �a l'ensemble alors qu'un degr�e de 1 indique
qu'elle en fait enti�erement partie. La �gure 4.2 illustre les fonctions d'appartenance utilis�ees
dans notre application. Par exemple, les fonctions d'appartenance pour l'entr�ee Distance
qui y sont montr�ees attribueraient �a une entr�ee de 7 m un degr�e d'appartenance de 0.2 �a
l'ensemble Loin et de 0.6 �a l'ensemble MoyenLoin alors qu'elles donneraient un degr�e nul
pour les deux autres ensembles ous.
L'�evaluation des r�egles est e�ectu�ee en faisant la conjonction des degr�es d'appartenance
aux ensembles ous impliqu�es dans chacune des r�egles. La conjonction se fait selon la fonction
de Mamdani, c'est-�a-dire en prenant le minimum des degr�es d'appartenance [Yen 99]. Cette
�evaluation des r�egles sert �a pond�erer les sorties associ�ees �a chacune d'elles.
32
Fig. 4.2: Fonctions d'appartenance utilis�ees par le contrôleur ou de SIAPCoV.
La combinaison consiste ensuite �a superposer toutes les conclusions oues relatives �a une
variable de sortie [Yen 99]. Cette combinaison se fait en appliquant l'op�erateur maximum aux
multiples distributions de possibilit�e obtenues pour chaque variable de sortie. Par exemple, si
plusieurs r�egles indiquent comme cons�equence un niveau de danger MoyenHaut, le maximum
des degr�es d'appartenance issus de ces r�egles sera utilis�e. Dans SIAPCoV, il n'y a qu'une
seule variable de sortie dans les r�egles et la distribution de possibilit�e est constitu�ee d'un
singleton.
L'�etape suivante est la d�efuzzi�cation qui consiste �a d�eterminer une seule valeur de sortie
�a partir de la distribution de possibilit�e obtenue �a l'�etape de combinaison. Dans l'application
�etudi�ee, cette sortie du contrôleur ou est le niveau de danger de collision. Une des m�ethodes
de d�efuzzi�cation les plus utilis�ees est la m�ethode du centro�de, ou du centre de gravit�e,
33
r�ealis�ee ici par la formule 4.1 �etant donn�e que la variable de sortie est discr�ete :
Sortie =
Pi Fi � SiP
i Fi(4.1)
o�u i est le num�ero de la r�egle, Fi est la pond�eration du singleton et Si est la position du
singleton sur l'axe de sortie [Passino 98].
Le contrôleur ou de SIAPCoV doit fusionner les huit entr�ees du syst�eme (i.e. les lectures
des six sonars, la vitesse et la direction du v�ehicule). Suivant l'architecture standard, le
contrôleur ou utiliserait des r�egles formul�ees avec toutes les entr�ees du syst�eme, c'est-�a-
dire avec les huit variables comme ant�ec�edents, pour repr�esenter toutes les situations de
fonctionnement possibles. Or le nombre de r�egles n�ecessaires crô�t de fa�con exponentielle avec
le nombre de variables et d'ensembles ous, un ph�enom�ene connu sous le nom d'explosion
combinatoire. Dans le cas de SIAPCoV, en utilisant huit variables avec quatre ensembles
ous par variable, on obtient 48 = 65536 r�egles. Cette base de r�egles est beaucoup trop
volumineuse. �Ecrire tant de r�egles est pratiquement impossible et même si ce l'�etait, la vitesse
de traitement serait beaucoup trop lente car toutes les r�egles devraient être �evalu�ees pour la
prise de d�ecision. Il faut donc r�eduire le nombre de variables et d'ensembles ous impliqu�es
dans les r�egles. Les sections suivantes pr�esentent trois m�ethodes permettant de r�eduire le
nombre de r�egles n�ecessaire tout en conservant des r�esultats ad�equats.
Logique oue modulaire
Il existe plusieurs fa�cons de diviser la base de r�egles oues en modules. Une premi�ere
approche est montr�ee �a la �gure 4.3. Les six modules utilisent chacun la distance per�cue par
un seul sonar, la vitesse et la direction du v�ehicule pour inf�erer un niveau de danger. �A l'�etape
de d�efuzzi�cation, on obtient donc six niveaux de danger. Pour d�eterminer quel obstacle est
le plus susceptible de provoquer une collision, la plus grande de ces valeurs est par la suite
s�electionn�ee. Cette s�election se fait par l'op�erateur de disjonction � qui identi�e la valeur de
danger la plus �elev�ee.
Par cet