Soutenance mémoire
Les cockpits des avions sont équipés d’instruments pour le pilotage. En particulier, l’indicateur d’attitude fournit au pilote les informations sur l’attitude de l’avion dans l’espace selon les 3 axes (inclinaison « droite-gauche », assiette « cabrépiqué», symétrie « flanc gauche-flanc droit »). L’indicateur d’attitude est considéré comme primordial pour garder le contrôle de l’avion dans des conditions de faible visibilité, mais il est aussi utilisé en formation initiale au pilotage pour quantifier, durant certaines phases de vol, les valeurs d’assiette et d’inclinaison requises ou limites acceptables.
Auparavant gyroscopique, une version numérique de cet instrument, le Primary Flight Display (PFD), a été conçue pour les avions commerciaux dans les années 80. Avec la diminution du coût, du poids et de la consommation des instruments numériques, les PFD se généralisent dans l’aviation légère. Ainsi, le PFD jusqu’ici réservé aux pilotes professionnels volant aux instruments, devient accessible à tous les pilotes, apprentis et amateurs, volant à vue (Figure 1). Dans ce contexte de généralisation du PFD, notre problématique est de reconsidérer sa conception, afin de sécuriser la prise d’informations par des apprentis pilotes de l’attitude de l’avion, en évolutions normales et surtout en récupération de positions inusuelles tout en limitant la charge mentale de travail. En effet, des études et enquêtes ont montré que certaines pertes de contrôle sont liées à une mauvaise interprétation des informations fournies par le modèle dominant d’Horizon Artificiel ou de PFD et conduisent trop souvent à des issues catastrophiques [11]. L’étude est donc pertinente pour l’amélioration de la sécurité aérienne, dans le contexte de la campagne LOCI (Lost Of Control In flight) de l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale. Dans cet article, nous présentons une analyse des interfaces existantes, réalisée à l’aide de deux cadres théoriques, le cycle de l’action de Norman [10] et l’analyse du parcours visuel ScanVis [2]. Ces cadres théoriques ainsi qu’un état de l’art sur la conception de l’indicateur d’attitude dans les cockpits nous permettent d’identifier les points forts et les points faibles des interfaces existantes dans un contexte d’apprentissage. Cette analyse nous permet de formuler des exigences d’utilisabilité pour une nouvelle interface d’affichage des informations primaires de vol.
Description des indicateurs d’attitude
Les types d’indicateurs diffèrent par les informations effectivement fournies, les éléments graphiques utilisés, ainsi que la disposition et la mobilité de ces éléments. Horizon mobile : inclinaison et assiette La première génération d’instrument physique d’indicateur d’attitude a été conçue comme une copie réduite (« comme à travers un hublot ») de ce que le pilote aurait vu de l’extérieur si la visibilité était suffisante .
L’affichage de l’inclinaison et de l’assiette se fait à l’aide de 3 couches et de 5 éléments graphiques (Figure 3). Une couche contient l’ « horizon artificiel » , l’échelle d’assiette linéaire et un pointeur au-dessus de cette échelle (ce qui donne ). La couche immédiatement au-dessus (translucide) contient la « maquette avion » . Elle représente les deux ailes de l’avion. Enfin la couche supérieure contient un cadran circulaire contenant l’échelle d’inclinaison radiale autour du cadran . Seule la couche du fond est mobile. Comme cette couche contient l’horizon, nous qualifions ce type d’indicateur « d’horizon mobile ». La couche de la maquette avion est fixe . L’usage combiné de l’horizon artificiel, du pointeur et de l’échelle d’inclinaison fournit l’information d’inclinaison. Quand l’avion s’incline à gauche, la couche inférieure contenant l’horizon bascule à droite de manière à refléter l’inclinaison apparente de l’horizon réel vu par le pilote (passage de à ). La lecture de l’inclinaison se fait sur l’échelle radiale d’inclinaison, dans le prolongement du pointeur au-dessus de l’échelle d’assiette . Un autre indicateur d’attitude utilise une philosophie différente (Figure 4), que nous qualifions « de maquetteavion mobile ». Les représentations (Figure 3) et les couches sont similaires. La mobilité des couches est différente. La couche du fond subit une seule rotation autour de l’axe des ailes, la couche intermédiaire contenant la maquette avion subit une rotation autour de l’axe de la carlingue, alors que la couche supérieure contenant l’échelle d’inclinaison est fixe. Ainsi, quand l’avion s’incline à gauche, la couche inférieure contenant l’horizon reste fixe .
Dans les instruments analogiques, l’information de la symétrie ou dissymétrie du vol (rotation autour de l’axe de lacet) est fournie par un autre instrument, la « bille » (en bas de la Figure 2). La bille figure le déplacement du centre de gravité de l’appareil, montrant ainsi l’écart entre la trajectoire et l’axe du fuselage en cas de dérapage. Sur les PFD, l’indication de symétrie est représentée par un petit trapèze placé sous le pointeur triangulaire qui se trouve au sommet de l’échelle d’assiette et indique la valeur d’inclinaison .
Etat de l’art
Nous présentons un état de l’art sur la conception et l’évaluation des indicateurs d’attitude selon deux axes : la représentation de l’information et le coût d’accès à l’information. Représentation de l’information : Horizon ou maquette mobile ? De nombreuses études de psychologie expérimentale ont été menées entre les années 1940 et 1970 dans un but de comparaison entre les deux concepts d’indicateur d’attitude, afin de déterminer ce qui doit bouger : la maquette ou l’horizon [9]. Ces études sont motivées par le constat d’erreurs d’interprétation de l’attitude de l’avion par les pilotes utilisant le concept « horizon mobile », notamment sur le sens du virage (roll reversal error) [7]. Toutes les études [9] [12] discernent les pilotes novices des pilotes expérimentés, et se placent dans un contexte de vol aux instruments. Pour les pilotes novices, elles constatent que l’apprentissage est plus rapide avec l’indicateur « maquetteavion mobile » ainsi qu’une réduction des erreurs d’inversion allant de 17% à 80% selon les conditions expérimentales. Les pilotes expérimentés ont les mêmes performances sur le contrôle de l’avion avec les deux types d’instruments. Cependant, ils montrent une grande facilité à passer de l’horizon mobile à la maquette mobile. Malgré ces résultats, la domination commerciale des constructeurs occidentaux et la crainte de difficultés liées au changement des habitudes des pilotes ont contribué à la généralisation de la logique « horizon mobile», reprise dans la version numérique, le Primary Flight Display.
Coût d’accès à l’information : quel compromis entre proximité spatiale et encombrement visuel ? En plus des informations d’attitude, le Primary Flight Display intègre des informations d’altitude, de vitesse et de cap. Cette intégration sur un seul écran se justifie par le principe de proximité spatiale réduisant le coût d’accès à l’information pour l’utilisateur d’une interface [13]. Cependant, la proximité spatiale peut impliquer un encombrement visuel et avoir un effet négatif sur le coût d’accès à l’information. Par exemple, s’il y a superposition d’objets, ils peuvent être difficiles à discriminer. Ou si l’objet pertinent est noyé dans un environnement visuel chargé, sa localisation peut prendre plus de temps [13]. La conception des instruments de vol est guidée par un coût minimal d’accès à l’information par les pilotes. Par conséquent, la recherche d’un compromis entre proximité spatiale et encombrement visuel est centrale dans la conception des PFD [14]. La revue de littérature réalisée par [5] montre que de nombreuses études expérimentales ont été récemment menées aux Etats-Unis pour déterminer l’effet de l’encombrement visuel du PFD (classique ou en tête haute, c.-à-d. projection des informations primaires de vol sur un verre optique) sur la performance du contrôle de l’avion. Ces études montrent des résultats mixtes quant à l’effet de l’encombrement visuel sur la performance de pilotage, du fait d’une définition non homogène de l’encombrement visuel [5]. Cependant, plusieurs études expérimentales montrent qu’un écran ayant un encombrement faible manque d’informations de contexte utilisées pour anticiper le comportement de l’avion. Au contraire, un écran ayant beaucoup d’informations est visuellement chargé et complexifie le parcours visuel du pilote pour la recherche des groupes d’informations nécessaires pour la tâche. Le niveau de charge mentale de travail est minimale pour l’écran ayant un encombrement modéré comparativement aux écrans ayant un encombrement faible ou élevé [1] [6][8]. Les chercheurs étudiant les affichages en tête haute [14] définissent l’encombrement visuel comme l’interférence des symboles de l’affichage avec la vue extérieure. Dans cette étude, la performance de pilotage est améliorée grâce à une fonction de guidage proposée via l’affichage d’un tunnel à suivre, donc un écran plus encombré. Cependant, l’analyse du scanning visuel des pilotes montrent une attention visuelle focalisée sur l’affichage la moitié du temps, et rarement sur le monde extérieur.
A notre connaissance, les études expérimentales se centrent sur l’utilisation des indicateurs d’attitude dans des conditions de vol sans visibilité extérieure. Le contexte de l’apprentissage du vol à vue, avec lecture instrumentale, n’a pas été étudié. Nous proposons donc d’étudier ce contexte, dans l’objectif de concevoir un indicateur d’attitude ayant le juste encombrement pour les tâches à réaliser avec cet instrument, tout gain sur la charge mentale nécessaire à l’acquisition des informations d’attitude pouvant être alloué à d’autres tâches.
Méthode
Notre méthode s’appuie sur la combinaison d’expertises opérationnelles et de cadres théoriques de l’IHM.
Expertises opérationnelles
L’expertise d’un pilote instructeur et concepteur de la progression pédagogique de la formation de pilote a permis d’identifier un scénario pertinent à étudier : l’apprentissage de la mise en virage. En apprentissage initial du pilotage, cette séquence est exécutée de façon rigoureuse et scandée, de façon à ce que toutes les phases d’observation, d’action de pilotage et de lecture instrumentale soient effectuées correctement et dans le bon ordre. La maitrise de la mise en virage est essentielle car elle intervient dans les phases de décollage et d’approche. De plus, les pertes de contrôle ont souvent lieu en virage. En complément des séances de travail avec l’expert, nous avons exploité des interviews réalisées auprès de 5 pilotes-instructeurs avion et 4 pilotesinstructeurs hélicoptère dans le contexte de projets sur l’aviation électrique.
|
Table des matières
I)INTRODUCTION
II) GENERALITES
III) METHODOLOGIE
IV) RESULTATS
V) COMMENTAIRES ET DISCUSSION
VI) CONCLUSION
VII) REFERENCES
ANNEXES
RESUME
