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,

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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