Développement d’un simulateur haptique immersif à trois degrés de liberté pour la reproduction de randonnées réelles en véhicules récréatifs

Verdeil, Vivien (2022). Développement d’un simulateur haptique immersif à trois degrés de liberté pour la reproduction de randonnées réelles en véhicules récréatifs. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

De nombreuses technologies de simulation existent aujourd’hui. Elles sont souvent utilisées à des fins de formation, notamment dans les industries aéronautique, automobile et médicale. Dans ce contexte, le projet Sekonride vise à développer un simulateur de véhicules récréatifs qui pourrait être utilisé dans les concessions BRP pour permettre aux potentiels clients de tester les véhicules avant d’en faire l’achat.

Par le présent mémoire, inhérent au projet Sekonride, nous cherchons à développer la capacité du simulateur à reproduire des randonnées réelles en véhicule récréatif. Pour ce faire, notre point de départ est le prototype de simulateur de quadricoptère en réalité virtuelle du projet AeroStraße développé à l’Université de Sherbrooke, qui doit être adapté à nos objectifs.

Le développement du simulateur s’articule en trois objectifs spécifiques et s’appuie sur la méthodologie de design science. Le premier objectif spécifique consiste à concevoir un dispositif permettant de capter des randonnées réelles sur deux types de véhicules récréatifs : la motoneige et le VTT. Pour cela, nous avons développé un dispositif permettant d’enregistrer à la fois les images du parcours à 360° et l’évolution des mouvements de l’engin. Ce dispositif intègre, entre autres, une caméra sportive à 360° GoPro Max et une centrale inertielle fixée sur le châssis du véhicule au cours de la randonnée. Le deuxième objectif spécifique consiste à concevoir une démarche de traitement du signal permettant de convertir les données brutes issues de la centrale inertielle en trame linéaire de déplacement pour les actionneurs. Enfin, le dernier objectif spécifique consiste à concevoir une solution permettant de contrôler le simulateur pour reproduire les randonnées. Pour cela, nous avons développé un ensemble de programmes permettant de reproduire à la fois les images de la randonnée dans un casque de réalité virtuelle et les mouvements enregistrés lors de la captation sur les actionneurs du simulateur. Le travail s’est attaché, pour cet objectif spécifique, à synchroniser la reproduction des images et des mouvements. Les outils scientifiques pertinents pour répondre à chaque objectif spécifique ont été mis en lumière par une revue de littérature.

Une fois l’objectif principal de développement du simulateur atteint, une analyse du comportement de ce dernier a permis d’évaluer les différences entre les mouvements enregistrés lors des randonnées réelles et leur reproduction sur le simulateur. Une campagne de test a également été menée pour valider le sentiment d’immersion procuré par le simulateur. Ces analyses ont permis de valider le prototype Sekonride, qui reproduit fidèlement des randonnées réelles en véhicule récréatif, tout en mettant en lumière des perspectives d’amélioration.

Enfin, certains choix faits et hypothèses posées au cours de cette étude sont discutés, notamment concernant la précision des capteurs et le dimensionnement du filtre passe-bas. Les lacunes et les limites de notre étude sont évoquées, comme l’impossibilité pour l’utilisateur de contrôler la simulation, et la fréquence de fonctionnement du simulateur fixée à 30 Hz. Enfin, les opportunités d’ouverture et d’amélioration sont évoquées pour la phase II du projet Sekonride, qui consiste à rendre la simulation contrôlable par l’utilisateur.

Titre traduit

Development of an immersive haptic simulator with three degrees of freedom to reproduce real rides on recreational vehicles

Résumé traduit

Many simulation technologies are currently available. They are often used for training, especially in the aeronautics, automotive, and medical industries. In this context, the Sekonride project aims to develop a recreational vehicle simulator that could be used in BRP dealerships to enable potential customers to test vehicles before purchasing them.

This master’s thesis aims to develop the simulator’s ability to reproduce real recreational vehicle rides. The existing virtual reality quadricopter simulator prototype AeroStraße developed at the University of Sherbrooke is used as the starting point for this work and had to be adapted to this study’s objectives.

Simulator development is broken down into three specific objectives and the design science methodology is used. The first specific objective is to design a device that captures real rides on three types of recreational vehicles: snowmobiles, personal watercraft, and all-terrain vehicles. To this end, a device was developed to record both 360° images of the course and changes in the vehicle’s movement. It includes a GoPro Max 360° sports camera and an inertial measurement unit that is attached to the vehicle’s frame during the ride. The second specific objective is to design a signal processing approach to convert the inertial measurement unit’s raw data into linear displacements for the simulator’s actuators. Finally, the last specific objective is to design a solution to control the simulator when simulating a ride. To do so, a set of programs were developed that reproduce both the images of the ride in a virtual reality headset and the previously recorded movements through the simulator’s actuators. For this specific objective, the work focused on synchronizing the reproduction of images and movements. The scientific tools that were relevant to each specific objective are highlighted in a literature review.

Once the main objective was reached, the simulator’s behavior was analyzed to evaluate the differences between the movements recorded during real rides and those reproduction by the simulator. A series of test were also conducted to validate the simulator’s immersiveness. These analyses validated the Sekonride prototype, which faithfully reproduces real rides on recreational vehicles.

Finally, some of the choices and assumptions made during this study are discussed, especially in terms of sensor accuracy and low-pass filter dimensioning. The flaws and limitations of this study are discussed, such as the user being unable to control the simulation and the simulator’s operating frequency being fixed at 30Hz. Lastly, opportunities for further development and improvement are discussed for the second phase of the Sekonride project, which consists in making the simulation user controllable.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 171-173).
Mots-clés libres:	simulateur haptique, véhicule récréatif, proprioception, centrale inertielle, vidéo 360°, traitement du signal
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rivest, Louis
Codirecteur:	Codirecteur Gauthier, Guy
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	09 sept. 2022 17:59
Dernière modification:	12 oct. 2022 17:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3063

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