Le domaine médical voit apparaître depuis peu des simulateurs pédagogiques, à l'instar de ce qui existe depuis quelques années dans d'autres domaines (aviation, auto-école). En effet, la formation actuelle des chirurgiens se fait à la fois sur des cadavres (ce qui entraîne des difficultés grandissantes et des coûts élevés) et par compagnonnage (avec des chirurgiens expérimentés). Une forte demande est exprimée pour des simulateurs chirurgicaux pédagogiques, surtout dans le domaine de la chirurgie mini-invasive, avec une prise en compte des gestes et des sensations tactiles. Ce travail de thèse, réalisé au Centre de Robotique (CAOR) de l'Ecole des Mines de Paris, couvre deux problématiques importantes pour la réalisation d'un simulateur chirurgical pédagogique : la modélisation temps réel des tissus mous et la réalisation d'un système haptique dédié à la chirurgie virtuelle. Nous nous intéressons à la modélisation temps réel des organes déformables, nous mettons en oeuvre une méthode physique, qui offre la possibilité de paramétrer le modèle à partir de mesures expérimentales, et de construire une solution générique applicable à une grande variété de matériaux. Il s'agit d'une approche issue de la Mécanique des Milieux Continus ; c'est une synthèse entre deux présentations répandues : les massesressorts et les masses tenseurs. Elle se base sur le modèle des matériaux de Saint Venant Kirchhoff qui correspondent à une classe de matériaux hyperélastiques. Une fois modélisé, l'organe virtuel doit interagir avec l'environnement, il s'agit de la détection des collisions (avec les outils) ou auto-collisions (l'organe se plie sur lui-même) ainsi que la gestion de ces collisions. Nous traitons aussi la découpe que peut subir un organe pendant l'opération. Nous présenterons aussi nos travaux de conception et de réalisation du système de retour d'effort dédié à la chirurgie, le « trocart actif ». Notre système présente un avantage majeur sur l'existant, il peut être utilisé pour une grande variété d'opérations chirurgicales endoscopiques. Il s'agit de l'instrumentation du trocart, outil indispensable pour la chirurgie mini-invasive afin d'assurer au maximum que les outils de chirurgie ne heurtent pas la peau à l'endroit de l'incision. Nous l'appelons « trocart actif ». Nous avons optimisé la conception de ce trocart afin de permettre l'utilisation de plusieurs trocarts actifs dans la même opération de chirurgie virtuelle et évidemment afin d'assurer le bon fonctionnement d'un système haptique pour garantir un bon rendement tactile. Avec ce système nous n'imposons pas le choix de l'outil chirurgical au jeune chirurgien. Celui-ci aura le choix de l'outil chirurgical au cours de l'opération.

Le but de ce travail est de concevoir un contrôle vectoriel sans capteur mécanique d'un moteur roue asynchrone. Ce moteur est destiné à la propulsion d'un nouveau concept de bus électrique. Les principales caractéristiques de cette application sont la large plage de fréquence et le fonctionnement sans capteur mécanique. Nous avons premièrement choisi la structure de commande la mieux adaptée à cette application. Après, nous avons conçu, réalisé, et mis en place en simulation les fonctions de la structure de commande retenue. Ensuite, nous avons réalisé plusieurs implantations (basées sur un processeur de signal) et validations sur différents dispositifs expérimentaux: un banc de petit puissance au laboratoire, puis un simulateur analogique, un banc d'essai moteur roue et un véhicule démonstrateur chez l'industriel. Dans ces implantations nous avons rencontré les contraintes du fonctionnement en temps réel et celles dues proprement aux conditions imposées sur le mode de fonctionnement dans le véhicule. Ce travail s'est déroulé en collaboration avec un partenaire industriel ALSTOM, spécialiste de la traction électrique, associé pour ce projet à Renault Véhicules Industriels et à Iveco.

Le travail de recherche exposé dans ce mémoire s'intéresse à la problématique de l'eau, de ses usages et de sa dépollution, dans le domaine des traitements de surface par voie aqueuse. Il résulte de ce travail le développement d'un outil intégré de simulation (RESPECTS), à double vocation : l'aide à la décision et la formation. Il est destiné aux professionnels et aux futurs professionnels du secteur des traitements de surface. Conçu sous la forme d'un Système Interactif d'Aide à la Décision (SIAD), le logiciel RESPECTS est constitué d'un ensemble structuré de modèles de connaissance et de représentation permettant la simulation en temps accéléré de l'évolution de certaines variables chimiques caractéristiques (par exemple le pH) des effluents au cours de la détoxication. Ces modèles ont été définis et validés sur des données industrielles réelles, des expériences sur site et des connaissances de professionnels du traitement de surface. Le volet "Aide à la Décision" du logiciel RESPECTS comporte un module de diagnostic de défaillance. Il utilise une méthodologie basée sur l'analyse de l'évolution dans le temps de la moyenne des écarts entre une variable chimique et sa consigne pour la détection. La simulation en parallèle de divers scénarios de panne est utilisée pour la localisation des défauts. En ce qui concerne le volet "Formation" du logiciel RESPECTS, l'utilisateur peut interagir avec le système simulé grâce à une interface entièrement graphique, par exemple en modifiant les caractéristiques des effluents ou les paramètres de contrôle, acquérant diverses connaissances sur les aspects sécuritaires et environnementaux au fil de son expérimentation virtuelle. Des bases de données industrielles réelles présentant des aléas de fonctionnement sont disponibles dans le logiciel pour un entraînement à la conduite d'opérations.

L'objectif de ce travail de recherche consistait à utiliser la réalité virtuelle (simulateur de conduite) afin d'améliorer les capacités attentionnelles de personnes présentant une baisse d'efficience de ces aptitudes (en lien avec l'âge ou la survenue d'un traumatisme crânien) pouvant se répercuter sur la conduite automobile. En référence au modèle de l'attention de Van Zomeren et Brouwer (1994), quatre processus attentionnels (alerte phasique, vigilance, attention sélective et attention divisée) ont été entraînés sur simulateur de conduite lors d'un programme comprenant 9 sessions d'une heure. Un groupe contrôle a effectué un training plus conventionnel sur ordinateur. Les performances des participants (10 patients traumatisés crâniens et 16 personnes âgées de plus de 65 ans) ont été évaluées avant et après le training à partir de trois mesures : une évaluation neuropsychologique, une évaluation sur simulateur de conduite et une évaluation sur route réelle. Le bénéfice de l'entraînement sur les performances aux tests neuropsychologiques s'est avéré limité pour les deux groupes. Concernant l'évaluation sur simulateur, les résultats ont révélé une amélioration des performances plus importante pour les participants entraînés sur simulateur. En revanche, les participants ayant bénéficié du training sur ordinateur ont davantage progressé que ceux entraînés sur simulateur lors de l'évaluation sur route réelle. Les résultats ont été discutés en termes d'approche rééducative et d'automatisation des processus attentionnels. Ce travail permet de conclure quant à la nécessité de poursuivre et d'approfondir les recherches sur la réalité virtuelle et le transfert de l'apprentissage en situation de vie quotidienne.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les simulateurs de conduite permettent d’explorer certains domaines de recherche difficiles à appréhender en conditions réelles, comme l'intégration de différents signaux sensoriels (ex. visuel, vestibulaire, somesthésique) pour la perception du mouvement. Malgré leur complexité, les simulateurs de conduite ne produisent pas toujours une sensation de conduite réelle, spécialement dans les situations comportant des freinages ou des virages. Leurs limites mécaniques en sont la cause. En conséquence, les lois de mouvement des simulateurs sont basées sur la technique de la « tilt-coordination ». Cette technique consiste à incliner un véhicule de telle sorte que la force gravitationnelle soit équivalente à l’accélération gravito-inertielle (GIA) résultant d’une accélération linéaire. La « tilt-coordination » se base sur l'ambigüité perçue par le système vestibulaire entre un basculement et une translation. Sur simulateur de conduite, l'algorithme « washout » combine la « tilt-coordination » à des translations pour produire une sensation d'accélération linéaire. L'objectif de ces travaux de recherche est d'atteindre une meilleure compréhension de l'intégration multisensorielle pour la perception des accélérations linéaires en simulateur de conduite. Les expériences présentées ci-dessous montrent que la perception des décélérations linéaires dépend de la manière dont le basculement et la translation sont combinés pour produire une perception cohérente. Par ailleurs, nos résultats montrent qu'il y a une différence importante dans la perception des accélérations et des décélérations. Pour le freinage, le rapport basculement/translation le plus réaliste dépend du niveau de décélération. Pour l'accélération, le mouvement est généralement surestimé et dépend du niveau d'accélération. Dans ce cas, la perception ne dépend pas du rapport basculement/translation. Ces résultats suggèrent que les signaux visuels, vestibulaires et somesthésiques sont intégrés de façon Bayésienne. En conclusion, il n'est pas conseillé d'utiliser l'algorithme « washout » sans prendre en compte la non-linéarité de la perception humaine. Nous proposons un modèle qui décrit la relation entre le basculement, la translation et le niveau d'accélération ou décélération souhaité. Ce modèle peut être utilisé pour améliorer la loi du mouvement afin de produire des simulations de conduite plus réalistes. / Driving simulators allow the exploration of certain areas of research that are difficult to reach in normal conditions, like the integration of different sensory inputs (visual, vestibular and somesthesic) for perception of self-motion. In spite of their complexity, driving simulators do not produce a realistic sensation of driving, especially for braking and turnings. This is due to their mechanical limitations. As a consequence, driving simulators' motion algorithm is based on tilt-coordination technique, which assumes the tilt of the car so that the driver's force of gravity is oriented in the same way as the gravito-inertial acceleration (GIA) during a linear acceleration. This technique is based on the tilt-translation ambiguity of the vestibular system and is used on dynamic driving simulators in combination with linear translations in so-called washout algorithm, to produce a sensation of linear acceleration. The aim of the present research is to understand how humans use multiple sensory signals (vestibular, visual and somatosensory) during the perception of linear acceleration on a driving simulator. The conducted experiments show that the perception of motion depends on the manner tilt and translation are used together to provide a unified percept of linear acceleration. Further, our results show that there is an important difference on how humans perceive accelerations and decelerations. For braking, the most realistic tilt/translation ratio depends on the level of deceleration. For acceleration, the motion is generally overestimated and depends on the level of acceleration, but not on the variation of tilt/translation ratio. The results suggest that visual, vestibular and proprioceptive cues are integrated in an optimal Bayesian fashion. In conclusion, it is not advisable to use a washout algorithm without taking into account the non-linearity of human perception. We propose an empirically found data-driven fitting model that describes the relationship between tilt, translation and the desired level of acceleration or deceleration. This model is intended to be a supplement to motion cueing algorithms that should improve the realism of driving simulations.

Les nuages montrent des variabilités tridimensionnelles complexes (3D) dans leurs propriétés géométriques, optiques et microphysiques horizontales et verticales. Généralement et pour des raisons pratiques, les nuages sont supposés être homogènes et parallèles dans les algorithmes de calcul du signal lidar/radar (problème direct) et dans les algorithmes de récupération des propriétés des nuages (problème inverse). L'objectif de ce travail est d'évaluer les effets de l'hétérogénéité des nuages et de la diffusion multiple sur des caractéristiques mesurées directement par le lidar/radar, nous ne traitons que les sources d'erreurs liées au problème direct. Nos évaluations sont basées sur l'échantillonnage aléatoire et sur la comparaison entre les profils moyens des nuages 3D et des nuages 1D équivalents plan-parallèles. Nous avons développé et validé un outil à cet effet. Le simulateur lidar/radar/radar Doppler (McRALI). Il est basé sur le modèle 3DMCPOL (Cornet et al., 2010). Les nuages 3D utilisés sont générés par le générateur de champs de nuages 3D (3DCLOUD_V2) (Szczap et al., 2014). Les comparaisons avec des publications et des codes de référence, ont montré de bonnes cohérences entre le code McRALI et les résultats publiés. On a étudié les effets de l'hétérogénéité 3D des nuages sur trois échelles 333 m, 1 km et 5 km. Les résultats obtenus ont montré que les biais sur le coefficient de rétrodiffusion β, sur le coefficient de rétrodiffusion intégré γ et sur le facteur de dépolarisation δ augmentent avec l’augmentation de l’échelle et l’épaisseur optique. L’étude sur un nuage de type cirrus de cristaux de glace plaquette ont montré que les profils moyens de β ainsi que de γ sont statistiquement égaux à l’échelle de 333 m. Au contraire, à l’échelle de 1 km les biais sont statistiquement significatifs. Le biais sur δ est statistiquement significatif pour les deux échelles. Les tests sur les mesures de radar CPR Doppler EarthCARE ont montré qu’il y a un écart sur la vitesse Doppler mesuré proche de la discontinuité dans un nuage discontinu, cet écart dépond le degré de la discontinuité, les propriétés optiques et géométriques du nuage et la géométrie du système radar. Ce travail contribue à une meilleure compréhension des effets de l'hétérogénéité des nuages sur les caractéristiques mesurées directement par le lidar / radar. / Clouds display complex three-dimensional (3D) variability in their horizontal and vertical geometric, optical and microphysical properties. Generally and for practical reasons, the clouds are supposed to be homogeneous and parallel in the algorithms for calculating the lidar / radar signal (direct problem) and in the algorithms for the retrieval of the properties of the clouds (inverse problem). The objective of this work is to evaluate the effects of cloud heterogeneity and multiple scattering on the characteristics measured directly by the lidar / radar. In this study, we only deal with the sources of errors related to the direct problem. Our assessments are based on random sampling and comparison between the average profiles of 3D clouds and 1D equivalent plane-parallel clouds. Therefore, we developed and validated a tool called the lidar / radar / Doppler radar simulator (McRALI). The latter tool is based on the 3DMCPOL model (Cornet et al., 2010). The 3D clouds, used in the current study, were generated by the 3D cloud field generator (3DCLOUD_V2) (Szczap et al., 2014). The tested McRALI code revealed good coherence with earlier published studies. We studied the effects of 3D cloud heterogeneity on three scales 333 m, 1 km and 5 km. The results obtained showed that the biases on the backscattering coefficient β, on the integrated backscattering coefficient γand on the depolarization factor δ increase with increasing the scale and the optical thickness. The study of a cirrus cloud of ice crystals showed that the average profiles of β as well as the γ are statistically equal to the 333 m scale. On the contrary, the biases are statistically significant at 1 km scale. The bias on δ is statistically significant for both scales. The tests carried out on the EarthCARE Doppler CPR radar measurements showed that there is a difference in the measured Doppler velocity close to the discontinuity in a discontinuous cloud. This difference is due to the degree of the discontinuity, the optical, the geometrical properties of the cloud and the geometry of the radar system. This work contributes to better understanding of the effects of cloud heterogeneity on the characteristics measured directly by the lidar / radar.

Ce travail présente un modèle orienté vers le développement d’un simulateur pour un moteur diesel marin. Dans le but d’avoir un simulateur qui répond aux besoins du moteur étudié au niveau de l’efficacité, la rapidité, et la prise en considération des défauts, le modèle étudié est basé sur des modélisations physiques, semi physique, empirique, mathématique et thermodynamique. Le modèle du moteur est divisé en plusieurs sous-modèles chacun présente un système réel, ces systèmes sont : le refroidissement, la lubrification, l’air, l’injection, la combustion et les émissions. Les sous-modèles et les caractéristiques dynamiques du chaque bloc sont conçus en respectant les équations principales du fonctionnement du moteur ainsi que les données expérimentales collectées du banc d’essai du moteur marin diesel fabriqué par la société SIMB sous la référence 6M26SRP1. Ce modèle a été implémenté sur Matlab/Simulink, et la simulation calcule les variables suivantes : pression, température, efficacité, échange de chaleur, angle de vilebrequin, débit du fuel et émissions, et ceci dans les différentes sous-blocs. Le simulateur est utilisé pour montrer la performance du moteur lors de l’occurrence des défauts et peut aider dans l’application des stratégies d’optimisation pour le dimensionnement, de diagnostic et de pronostic. / This work presents a simulator model of a marine diesel engine based on physical, semi-physical, mathematical and thermodynamic equations, allowing fast predictive simulations. The whole engine system is divided into several functional blocs: cooling, lubrication, air, injection, combustion and emissions. The sub-models and dynamic characteristics of individual blocs are established according to engine working principles equations and experimental data collected from a marine diesel engine test bench for SIMB Company under the reference 6M26SRP1. The overall engine system dynamics is expressed as a set of simultaneous algebraic and differential equations using sub-blocs and S-Functions of Matlab/Simulink. The simulation of this model, implemented on Matlab/Simulink has been validated and can be used to obtain engine performance, pressure, temperature, efficiency, heat release, crank angle, fuel rate, emissions at different sub-blocs. The simulator is used to study the engine performance in faulty conditions, and can be used also to assist marine engineers in FDI (fault detection and isolation) as well as designers to predict the behavior of the cooling system, lubrication system, injection system, combustion, emissions, in order to optimize the dimensions of different components.

Introduction : La rétroaction sur la performance des personnes étudiantes infirmières lors de l’utilisation de simulateur de patients sur ordinateur contribuerait à l’apprentissage et au développement du raisonnement clinique en supportant la métacognition (Zary et al., 2006). Or à notre connaissance, la forme et le contenu de ce type de rétroaction demeure peu discuté dans les écrits scientifiques. Objectif : Ce projet de recherche comportait trois objectifs. Le premier était de contribuer au développement d’une fonctionnalité de rétroaction dans un simulateur sur écran, le second visait à documenter la perception de son utilité à la suite d’une expérimentation guidée en laboratoire auprès de personnes étudiantes infirmières et, enfin, le troisième objectif visait à décrire l’appréciation générale du simulateur par les personnes participantes. Méthodes : Un devis de recherche descriptif avec méthodes mixtes auprès d’un échantillon de convenance constitué d’étudiantes et étudiants en sciences infirmières d’une université québécoise a été retenu pour cette étude. Le modèle de rétroaction PROMPTED (Rudland et al., 2013) a été retenu pour orienter la conception de la rétroaction dans le simulateur sur écran. L’accès au simulateur s’est fait par un lien web et, par la suite, les personnes participantes devaient compléter un questionnaire web autoadministré pour documenter leur appréciation de la rétroaction fournie pendant la simulation et du simulateur sur écran en soi. De plus, des entrevues ont été réalisées pour enrichir la description de l’utilité perçue de la rétroaction offerte dans le simulateur sur écran. Résultats : La rétroaction intégrée dans le simulateur sur écran selon les principes du modèle PROMPTED a permis de guider et de bien renseigner les étudiantes au cours de l’activité. Les données recueillies suggèrent l’appréciation de l’utilisation de la rétroaction en cours d’activité plutôt que d’avoir seulement un solutionnaire à la fin de l’exercice. Conclusion : En plus d’apporter une plus-value au simulateur sur écran par rapport à ce qui se retrouve sur le marché, ce projet contribue à l’avancement des connaissances sur l’utilité de la présence de rétroaction dans les simulateurs sur écran lors de la formation infirmière. / Abstract : Background: Feedback on nursing students’ performance when using a screen simulator could contribute to the learning and development of clinical reasoning by supporting metacognition (Zary et al., 2006). To our knowledge, the form and content of this type of feedback remains slightly discussed in scientific literature. Objective: This research project had three objectives. The first was to contribute to the development of a feedback functionality in a screen simulator, the second was to document the perception of its usefulness following a laboratory-guided experimentation with nursing students, and finally, the third objective aimed to describe its overall appreciation of the simulator. Methods: A descriptive research design with mixed methods was used with a convenience sample of nursing students of a university in Quebec. The PROMPTED feedback model (Rudland et al., 2013) was chosen to guide the conception of feedback in the screen simulator. Access to the simulator was via a web link and subsequently, the participants had to complete a self-administered web questionnaire of their appreciation of the feedback provided during the simulation as well as the screen simulator per se. In addition, interviews were conducted to enrich the description of the perceived usefulness of the feedback provided in the screen simulator. Results: Feedback integrated into the screen simulator in accordance with the PROMPTED Model has helped to guide and to inform the students during the activity. The data collected suggest the use of reel-time continuous feedback rather than only giving the answers at the end of the exercise. Conclusion: In addition to the value upgrade of the screen simulator compared to what is on the market, this project has contributed to the advancement of knowledge on the usefulness of feedback in screen simulators in nursing education.

La validité des simulateurs de conduite est une question essentielle pour étayer et valoriser les travaux visant à mieux comprendre les comportements de conduite. Alors que les dimensions subjective et comportementale de la validité ont été régulièrement étudiées, elles font face à certaines limites. A l’opposé, rares sont les études qui se sont intéressées à la validité psychologique des simulateurs. Cette dimension compare l'implication des mécanismes qui sous-tendent les comportements entre conduite réelle et virtuelle. De plus, très peu d’études ont confronté les différentes dimensions de la validité, alors que cela pourrait contribuer au développement d’une métrologie des environnements virtuels. C’est précisément à ce niveau que se situe ce travail de thèse, au cours duquel des mesures classiques de la validité comportementale (vitesse, contrôle latéral) ont été confrontées à des mesures de la validité psychologique examinée sous l’angle de la charge mentale en prenant notamment comme indicateur les clignements oculaires. L’objectif principal était de déterminer si le niveau de charge mentale diffère entre conduite sur route et conduite sur simulateur dans des cas où les comportements observés ne permettent pas de faire de distinction.Pour répondre à cette question, ce travail de thèse a été organisé autour de trois expériences réalisées sur simulateur de conduite et d’une étude sur route réelle. Les deux premières expériences visaient à mieux cerner l’effet de certains facteurs inhérents à la conduite sur route ouverte (trafic, environnement) sur les comportements de conduite et la charge mentale. La troisième expérience était quant à elle destinée à comparer la charge mentale induite par la conduite réelle et la conduite sur simulateur « bas coût », en confrontant cette mesure de la validité psychologique aux mesures comportementales classiques. Enfin, la quatrième expérience a porté sur les effets du retour d’effort du volant sur cette même charge mentale.Les principaux résultats ont mis en évidence un niveau de charge supérieur en conduite simulée par comparaison à la conduite en situation réelle, alors que certaines mesures comportementales (vitesse) n’étaient pas différentes. Cette charge accrue sur simulateur ne semble cependant pas trouver son origine dans le retour d’effort au volant, les modalités de retour testées n’ayant pas eu d’effet sur les indicateurs de la charge. Au final, ce travail confirme que la prise en compte de la validité psychologique, examinée ici sous l’angle de la charge mentale, présente un intérêt dans une démarche d’évaluation, dans le but de mieux cerner le positionnement des utilisateurs face à un dispositif de réalité virtuelle. Il ouvre ainsi des perspectives pour améliorer la validité des simulateurs de conduite. / The validity of driving simulators is an essential subject to support and highlight the works aiming to understand driving behaviours more thoroughly. While the subjective and behavioural dimensions of that validity have often been studied, they encounter a few limits. On the other hand, studies about simulators’ validity are fairly rare. This dimension compares the implication of mechanisms inherent in behaviours between real and virtual driving. Furthermore, very few studies have considered the various dimensions of validity at once, whereas it could contribute to the development of a metrology for virtual environments. This thesis is precisely about this, with confrontations between classical measurements of behavioural validity (speed, lateral control) and measurements of psychological validity, examined from the viewpoint of mental workload - using indicators such as eye blinking. The main objective was to ascertain whether the mental workload levels vary between road driving and simulated driving when the observed behaviours aren’t relevant to make a clear difference.To answer this question, this thesis has been organised around three experiences carried out on driving simulators and a comparison between actual road driving and low-cost simulated driving. Two of those experiences were conducted to finely analyse the effect of some factors inherent to open road driving (traffic, environment) on driving behaviours and mental workload. The third experience was made to compare the mental workload induced by real driving and low-cost simulator driving, by putting this psychological validity measurement against classical behavioural measurements. Lastly, the fourth experience focused on the effects of the driving wheel’s force-feedback on this same mental workload.The main results revealed a higher workload level on simulated driving than on real driving, while some behavioural measurements (speed) were not different. This increased workload with the simulator does not seem to stem from the wheel’s force-feedback, since the tested feedback methods did not have a repercussion on the workload levels. In the end, this work confirms that taking psychological validity - examined here from a mental workload viewpoint - does have an interest within an evaluation process to analyse in a finer fashion the mental state of users when faced with a virtual reality system. It creates prospects to improve the validity of driving simulators.