Automatisation des véhicules et nouveaux habitacles

Activités réalisées par les conducteurs de véhicules actuels

    Pour les véhicules disposant d’une autonomie conditionnelle (i.e. Niveau SAE 3), l’occupant peut temporairement déléguer la conduite au véhicule et baisser son niveau de vigilance en effectuant d’autres activités. Cependant, l’occupant doit s’assurer que les conditions nécessaires à la conduite autonome soient présentes, et, dans le cas contraire, une reprise en main peut être exigée par le véhicule. Ainsi, dans ce type de véhicule, les occupants seraient limités à des activités peu distrayantes ou contraignantes afin de permettre une reprise en main non planifiée du véhicule si nécessaire. Afin d’identifier ces activités, les données concernant les véhicules automobiles actuels peuvent s’avérer pertinentes. Certaines études, dîtes naturalistes, sont basées sur l’observation du comportement quotidien des conducteurs à l’aide d’un système embarqué discret. Ce système permet l’enregistrement des données du conducteur, du véhicule et de l’environnement, tout en limitant les biais expérimentaux sur la conduite. Ces données peuvent être collectées dans des situations normales, des situations de conflit et des accidents. Une étude menée par la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) (Dingus et al. 2006, Neale et al. 2005) a analysé 100 véhicules pendant treize mois afin d’étudier le comportement des conducteurs lors d’événements à risque. Les résultats indiquent que lors de ces événements, les activités non liées à la conduite réalisées par le conducteur sont majoritairement liées à des appareils sans fils (34% des activités, majoritairement les téléphones portables), et à des passagers (19% des activités, majoritairement des conversations). Une étude similaire a été réalisée par le Second Strategic Highway Research Program (SHRP2) en 2012 afin d’évaluer le comportement et les performances des conducteurs (Campbell 2012, Kirsch 2018). Cette étude s’est focalisée sur les événements à risque sur autoroute aux États-Unis, via l’analyse de 1 891 véhicules. Divers types de distraction ont été identifiés, principalement liés aux passagers du véhicule (26% des distractions), au téléphone portable (19% des distractions), ainsi qu’à la radio/musique (17% des distractions). Reed et al. (2020) ont, quant à eux, réalisé une étude naturaliste afin d’identifier la disposition des sièges et la posture des occupants dans les véhicules actuels. Cette étude a analysé 75 véhicules, dans des situations de conduite normales. Les résultats soulignent des écarts entre les positions observées et la position de conduite telle qu’utilisée dans la réglementation automobile (Louden, 2019), avec la tête des occupants tournée vers la gauche ou la droite dans 33 % des enregistrements, et le torse tourné dans environ 10% des enregistrements. Des variations de l’angle dossier ont également été observées, avec un angle moyen de 25.4±6.4 degrés, un angle supérieur à 30 degrés dans 15 % des enregistrements, et supérieur à 35 degrés dans moins de 1 % des enregistrements. L’analyse de ces différentes études a permis de souligner que les conducteurs et passagers de véhicules actuels sont d’ores et déjà amenés à réaliser des activités autre que la conduite. Les principales activités identifiées sont liées à d’autres occupants (ex : converser) ou à des appareils électroniques (ex : utiliser son téléphone portable). Ces résultats confirment ainsi l’attrait des occupants de véhicules actuels de réaliser d’autres activités que la conduite pendant les temps de trajet. La réalisation de telles activités dans les véhicules conventionnels est d’ores et déjà associée à des postures d’occupant et des configurations de siège non-réglementaires (ex : occupant pivoté pour discuter, dossier de siège incliné à plus de 30 degrés) (Reed et al. 2020). Cependant, les activités pouvant être identifiées via les études naturalistes sont, par essence, limitées à des environnements automobiles, conçus pour la conduite. Afin d’explorer un panel plus large d’activités probables dans les futurs véhicules automatisés, il peut ainsi être pertinent d’observer d’autres moyens de transports, moins spécifique à une activité particulière (ex : train, avion, bus).

Dispositifs de protection des occupants en cas d’accident

     La sécurité passive dans les véhicules automobiles actuels est principalement assurée par le reposepied, l’appui genou, le siège, les airbags, et la ceinture de sécurité (Figure 18). Lors d’un choc frontal, l’occupant est dans un premier temps retenu par la ceinture de sécurité et par le siège. Dans un second temps, l’excursion frontale de l’occupant est arrêtée par l’airbag et parfois par l’habitacle au niveau des membres inférieurs. La ceinture de sécurité a pour objectif de coupler au mieux le corps au siège et au véhicule afin de limiter l’excursion de l’occupant et le risque d’impact sur des parties dures de l’habitacle. L’airbag joue un rôle complémentaire qui permet de d’accompagner la décélération de la tête et en partie du tronc et d’empêcher les risques de contact avec des surfaces rigides de l’habitacle. Dans les véhicules particuliers, les ceintures de sécurité actuelles sont généralement composées d’une sangle attachée en 3 points d’ancrage sur la voiture, avec un mécanisme d’enrouleur situé au niveau de l’ancrage épaule. Pour la décrire, la sangle est divisée en deux brins : la ceinture bassin et la ceinture thoracique, qui se rejoignent à la boucle. La ceinture vise à répartir les forces de retenue appliquées à l’occupant sur des structures osseuses du corps (plutôt que des tissus mous), à savoir le bassin et la cage thoracique. La retenue du bassin est essentielle lors d’un accident, car le bassin peut supporter des efforts importants sans fracture, ce qui permet de retenir le bas du corps. Toutefois, des problèmes de retenue peuvent survenir sur ce brin à cause d’un mauvais positionnement ou d’un système de retenue inadapté : la ceinture peut passer sur l’abdomen suite à un glissement ou une rotation du bassin sous la ceinture. Ce phénomène, appelé sous marinage, peut conduire à des lésions abdominales sérieuses à cause des efforts importants transmis aux organes mous de l’abdomen (Thorbole, 2015). Le bassin est une structure osseuse formée par les deux os coxaux, le sacrum et le coccyx (Figure 19). Ces quatre structures osseuses sont connectées entre elles via trois articulations : la symphyse pubienne et les articulations sacro-iliaques postérieures droite et gauche. L’os coxal est lui-même formé de trois parties, à savoir l’ilion, l’ischion et le pubis. À la jonction de ces trois structures osseuses se trouve une surface articulaire appelée acétabulum, permettant la liaison entre le bassin et le fémur. On dénombre plus d’une centaine de points anatomiques de référence sur le bassin (Reynolds et al. 1981, Besnault et al. 1998) (Figure 19). Lors d’un accident automobile, la ceinture engage le bassin dans la zone située entre les épines iliaques antérosupérieures et antéroinférieures.

Mannequins de choc

      Les mannequins de choc permettent de simuler la réponse humaine (ex : cinématique, déflections, forces) lors d’un accident. Chaque mannequin est conçu pour représenter l’anthropométrie, la forme, le poids, les raideurs (ex : thoracique) et les articulations principales correspondant à une population cible (ex: 50ème percentile homme). Équipés de nombreux capteurs, ces dispositifs permettent de mesurer les efforts exercés entre parties du corps, des déflections et des accélérations. Ces mesures aident à analyser l’interaction du mannequin avec les systèmes de retenue. Mais surtout, ces mesures peuvent permettre d’estimer le risque de lésions humaines via des critères lésionnels et courbes de risque (ex : déflection thoracique pour le risque de fracture de côte). Ces critères sont généralement établis en comparant les essais mannequins et des essais sur sujets d’anatomie. Les mannequins de choc sont utilisés dans la réglementation automobile ainsi que dans les essais consommateurs utilisés pour noter la sécurité des véhicules (ex : EuroNCAP). Les mannequins de choc sont développés pour une direction d’impact spécifique. Ainsi, plusieurs gammes de mannequins ont été développées pour étudier les directions de chargement prédominantes comme par exemple l’Hybrid III et le THOR pour le choc frontal, le WorldSID pour le choc latéral, et le BioRID pour le choc arrière. Certaines gammes possèdent des mannequins représentant plusieurs anthropométries (Figure 22). Concernant les chocs frontaux, l’Hybrid III est le mannequin standard qui sera peut-être remplacé à l’avenir par le THOR. Les mannequins de chocs sont conçus pour être utilisés dans des positions de conduite conventionnelle avec un angle de dossier de 25 degrés et un angle d’assise d’environ 15 degrés (Louden, 2019). Si une variation est possible autour de ces valeurs, les ajustements sont limités et il n’est par exemple pas possible de mettre ces mannequins debout, car la mousse de leur bassin ne le permet pas. Concernant les nouvelles postures d’occupant, ces dernières ne sont pas couvertes par les réglementations actuelles et n’ont pas été prises en compte jusqu’à présent dans la conception des mannequins. Ainsi, la biofidélité des mannequins de choc dans de tels scénarios doit être évaluée en particulier en ce qui concerne le sous-marinage. Plusieurs études (Prasad et al. 2019, Forman et al. 2021) ont d’ores et déjà évalué le positionnement de divers mannequins en position semi-allongée (ex : THOR-50M, THOR-5F, Hybrid III 50th Male, Hybrid III 5th Female). Les résultats mettent en évidence la difficulté de positionnement, due à la conception mécanique de ces modèles, limitant l’amplitude de mouvement notamment au niveau de la colonne vertébrale qui est en partie rigide. De plus, ces positions semi-allongées engendrent de larges ouvertures au niveau de l’abdomen, ainsi que des déformations importantes de la colonne lombaire, indépendamment du mannequin utilisé. Les mannequins THOR semblent cependant plus faciles à positionner dans ces positions inclinées que d’autres mannequins (ex : Hybrid III), notamment dus à la conception plus flexible de leur colonne vertébrale. Ces observations ont permis d’identifier des pistes d’amélioration afin de faciliter le positionnement du mannequin THOR-M50 (ex : modification de l’abdomen pour limiter d’apparition d’ouverture, modification de la colonne lombaire pour augmenter l’amplitude de mouvement) et des modifications sont en cours par les constructeurs de mannequin. Toutefois, la possibilité de mettre en position un mannequin ne garantit pas sa biofidélidé dans cette position, d’autant plus que les cibles de biofidélité sont toujours en train d’être établies pour ces positions. Suite à la publication récente de données sur sujets d’anatomie, Kerrigan et al. (2021) ont étudié la réponse des mannequins THOR-M50 et Hybrid III 50th Male dans des conditions similaires aux essais de Richardson et al. (2020c). Malgré quelques difficultés de positionnement, notamment concernant l’orientation du bassin, une position de mannequin similaire à celle des sujets d’anatomie a pu être obtenue. Les résultats préliminaires soulignent cependant des différences de cinématique entre les sujets d’anatomie et les mannequins, notamment concernant l’excursion vers l’avant du bassin.

Évaluation du modèle en condition de sous-marinage

      Dans un premier temps, la validité du modèle GHBMC M50-O a été évaluée dans une configuration de sous-marinage en position d’assise standard en utilisant les essais de Luet el al. (2012). Ces essais visaient à apporter une meilleure compréhension et caractérisation du phénomène de sous-marinage. Pour ce faire, neuf sujets d’anatomie ont été testés en trois groupes avec chacun une configuration différente. Cinq paramètres ont été étudiés à travers ces trois conditions d’essai, à savoir le profil de décélération, l’angle d’assise, l’angle initial de la ceinture bassin, la longueur de ceinture dans chaque enrouleur, et la position du repose-pied. Ces essais ont été réalisés sur un siège rigide. Seule la configuration #1 (avec une assise horizontale) a été simulée, car des résultats avec d’autres angles d’assise seront présentés dans la suite de ce chapitre. Afin de simuler ces essais, le modèle d’occupant a tout d’abord été mis à l’échelle par un facteur d’échelle de manière isotrope de 0.95 pour correspondre à la stature moyenne des sujets (167.2±3.5 cm). Le modèle a ensuite été repositionné via le logiciel PIPER afin d’abaisser les membres supérieurs, modifier l’angle bassin et la position des membres inférieurs. Cette étape a permis de positionner le bassin, les fémurs et les tibias respectivement à 62.5, 23.5, et 45.5 degrés par rapport à l’horizontale. Lors des essais, les angles correspondants étaient respectivement de 64.7±8.1, 20.8±5.6, et 47.7±6.1 degrés. Suite au positionnement, la densité des matériaux correspondant à la chair a été réduite pour se rapprocher de la masse moyenne des sujets des essais (61.0±6.4kg). Ceci a été fait car la masse résultante de la simulation était trop élevée et que la densité initiale du modèle pour ces tissus (1.06) paraissait élevée pour des tissus qui correspondent à une combinaison de tissus adipeux (dont la densité est inférieure à 1) et de muscle dont la proportion est faible pour des sujets âgés. Le modèle d’occupant a ensuite été positionné sur un siège rigide avec une assise horizontale, et un dossier incliné à 22 degrés par rapport à la verticale, puis soumis à un choc frontal à 40 km/h en utilisant le profil d’accélération de l’étude. La retenue de l’occupant était assurée à l’aide d’une ceinture de sécurité à quatre points sans prétension ni limiteur d’effort. Les angles de la ceinture bassin par rapport à l’horizontale étaient respectivement de 37.2±2.1 et de 34.5 degrés pour les essais et pour le modèle numérique. Les pieds des sujets étaient également contraints à l’aide de couvre-chaussures rigides fixés au repose-pied. Dans la configuration étudiée, le sous-marinage s’est produit pour tous les sujets d’anatomie (n=3) entre 80 et 100 ms. Le modèle numérique a sous-mariné à environ 80-85 ms (estimé visuellement au passage de la ceinture au-dessus du bassin). Des fractures bassin ont été observée au niveau des épines iliaques antérosupérieures (ASIS) pour 2 sujets sur 3 mais n’ont pas été observées dans le modèle. Les résultats analysés, détaillés en Annexe 2 et résumés Figure 32, se sont focalisés sur la cinématique de l’occupant ainsi que les interactions avec les moyens de retenue. Dans la globalité, la réponse du modèle en condition de sous-marinage semble proche de celles des sujets des essais expérimentaux (allures des courbes, scores CORA supérieurs à 0.8).

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1 – ÉTAT DE L’ART
1. L’AUTOMATISATION DES VÉHICULES ET LES NOUVEAUX USAGES
2. VÉHICULES AUTOMATISÉS ET NOUVELLES DIRECTIONS D’IMPACT
3. ACTIVITÉS ET CONFIGURATIONS D’HABITACLE DANS LES VÉHICULES AUTOMATISÉS
3.1. Activités réalisées par les occupants de véhicules autonomes
3.1.1. Activités réalisées par les conducteurs de véhicules actuels
3.1.2. Activités réalisées dans les transports publics actuels
3.1.3. Étude prospective des activités dans des véhicules automatisés par questionnaire
3.1.4. Discussion et conclusions
3.2. Véhicules automatisés et nouvelles configurations d’habitacle
4. ANALYSE QUANTITATIVE DE LA POSITION DES OCCUPANTS DE VÉHICULES
4.1. Introduction
4.2. Méthodes
4.3. Résultats
5. MOYENS DE PROTECTION ET ÉVALUATION DES RISQUES
5.1. Dispositifs de protection des occupants en cas d’accident
5.2. Réponse biomécanique et risque lésionnel des occupants
5.3. Réponse de l’occupant lors de chocs frontaux
5.3.1. Principes des essais de type charriot
5.3.2. Positions étudiées lors d’essais charriot frontaux
5.4. Mannequins de choc
5.5. Modèles numériques humains
5.5.1. Modèles numériques humains en mécanique des chocs
5.5.2. Repositionnement et personnalisation des modèles numériques
5.5.3. Évaluation des modèles numériques pour de nouvelles positions d’occupant
5.5.4. Analyses des nouvelles positions d’occupant via simulations numériques
6. SYNTHÈSE ET OBJECTIFS SPÉCIFIQUES DE LA THÈSE
CHAPITRE 2 – SOUS MARINAGE ET VALIDATION DES MODÈLES NUMÉRIQUES
1. INTRODUCTION
2. ÉVALUATION DU MODÈLE EN CONDITION DE SOUS-MARINAGE
3. CONCEPTION ET VALIDATION D’UN MODÈLE DE SIÈGE ARTICULÉ
3.1. Modèle de cockpit générique
3.2. Validation du modèle de cockpit
4. ÉVALUATION DE LA SENSIBILITÉ DU MODÈLE AU SOUS-MARINAGE
4.1. Essais en configuration de siège avant
4.2. Essais en configuration de siège arrière
5. ÉVALUATION DU MODÈLE EN POSITION INCLINÉE
5.1. Essais de Richardson et al. (2020c)
5.2. Essais de Zaseck et al. (2021)
6. DISCUSSION ET CONCLUSIONS
CHAPITRE 3 – ÉTUDE EXPLORATOIRE PAR SIMULATION NUMÉRIQUE
1. EFFET DU PIVOTEMENT DU SIÈGE SUR LA RÉPONSE DE L’OCCUPANT LORS DE COLLISION FRONTALE
1.1. Introduction
1.2. Méthodes
1.3. Résultats
1.3.1. Évaluation du risque lésionnel pour des positions de travail
1.3.2. Évaluation du risque lésionnel pour des configurations de siège pivoté
1.3.3. Adaptation des systèmes de retenue pour des configurations de siège pivoté
1.4. Discussion et conclusions
2. EFFET DE L’INCLINAISON DU DOSSIER SUR LA RÉPONSE DE L’OCCUPANT LORS DE COLLISION FRONTALE
2.1. Introduction
2.2. Réponse de l’occupant en position inclinée
2.2.1. Méthodes
2.2.2. Résultats
2.3. Réponse de l’occupant en position fortement inclinée
2.3.1. Méthodes
2.3.2. Résultats
2.4. Discussion et conclusion
3. DISCUSSION ET CONCLUSIONS
CHAPITRE 4 – ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE LA POSITION DE CONFORT EN CONFIGURATION INCLINÉE 
1. INTRODUCTION
2. CONFIGURATIONS DE CONFORT EN POSITION SEMI-ALLONGÉE
2.1. Matériels et méthodes
2.1.1. Participants
2.1.2. Siège expérimental
2.1.3. Conditions d’essais
2.1.4. Procédure expérimentale
2.1.5. Répétabilité des configurations de confort
2.1.6. Post-traitement des données et analyses statistiques
2.2. Résultats
2.3. Discussion et conclusion
3. ESTIMATION DE LA POSITION DU RACHIS ET DU BASSIN EN POSITION ASSISE
3.1. Introduction
3.2. Méthodes
3.2.1. Création de la chaine cinématique personnalisée
3.2.2. Méthode de repositionnement par cinématique inverse
3.3. Validation
3.3.1. Description des données
3.3.2. Évaluation du modèle cinématique personnalisé en position debout
3.3.3. Évaluation de la méthode de repositionnement de la position debout à assise
3.4. Discussion et conclusions
4. QUANTIFICATION DE LA POSTURE DE CONFORT EN POSITION SEMI-ALLONGÉ
4.1. Matériels et Méthodes
4.1.1. Participants
4.1.2. Conditions d’essais
4.1.3. Procédure expérimentale
4.1.4. Post-traitement des données et analyses statistiques
4.2. Résultats
5. DISCUSSION ET CONCLUSIONS
CHAPITRE 5 – RISQUE LÉSIONNEL EN POSITION SEMI-ALLONGÉE ……………………………………………………….. 121
1. INTRODUCTION …………………………………………………………………………………………………………………… 122
2. MÉTHODES ……………………………………………………………………………………………………………………….. 123
2.1. Anthropométrie d’occupant……………………………………………………………………………………………. 123
2.2. Autres configurations : posture moyenne de confort et modification des moyens de retenue ….. 125
2.3. Résumé de la matrice de simulations ……………………………………………………………………………….. 128
3. RÉSULTATS………………………………………………………………………………………………………………………… 130
3.1. Évaluation de l’effet de l’anthropométrie de l’occupant……………………………………………………… 130
3.2. Effet de la version du modèle d’occupant …………………………………………………………………………. 133
3.3. Effet des différents moyens de retenue …………………………………………………………………………….. 134
4. DISCUSSION ………………………………………………………………………………………………………………………. 136

CHAPITRE 6 –DISCUSSION GÉNÉRALE ET CONCLUSION……………………………………………………………………… 139
RÉFÉRENCES ………………………………………………………………………………………………………………………………. 142
TABLE DES FIGURES …………………………………………………………………………………………………………………….. 154
TABLE DES TABLEAUX ………………………………………………………………………………………………………………….. 158
COMMUNICATIONS ASSOCIÉES …………………………………………………………………………………………………….. 159
PUBLICATIONS………………………………………………………………………………………………………………………………….. 159
COMMUNICATIONS ORALES ………………………………………………………………………………………………………………….. 159
LIVRABLES SURCA ……………………………………………………………………………………………………………………………. 159
ANNEXES

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