Comment placer l’homme au centre de la conception de machines intelligentes grâce à la simulation

L’avenir de la conception des machines s’articule autour d’un certain nombre de tendances, notamment les véhicules autonomes, la téléopération des robots et l’assistance humaine à distance, dans pratiquement tous les domaines industriels.

En effet, la technologie des systèmes autonomes et robotiques intelligents est en train de transformer notre façon de travailler et les systèmes intelligents sont en train d’envahir le lieu de travail. C’est pourquoi l’interaction entre l’homme et la machine est désormais au centre de la conception : avec les systèmes autonomes travaillant aux côtés des humains, l’interface homme-machine est devenue essentielle pour la sécurité. De plus, les attentes des gens sont que les produits ne se contentent pas d’être beaux, mais qu’ils fonctionnent aussi parfaitement, avec une superbe ergonomie.

Il ne suffit plus de fabriquer un objet mécanique puissant, efficace ou utile – tout doit également fonctionner de manière intuitive. C’est pourquoi, aujourd’hui, ce qui apporte la plus grande valeur aux OEM, ce sont les systèmes électroniques et de contrôle qui sont totalement intégrés à la conception mécanique.

Les évaluations du conducteur dans la boucle sont essentielles pour comprendre la performance homme-machine, et les opérateurs novices et qualifiés sont une partie vitale du processus de validation des essais. C’est encore plus vrai avec les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS), les équipements autonomes ou les équipements télécommandés, où la nature de l’interaction humaine avec la machine change fondamentalement.

En fait, la conception centrée sur l’homme est cruciale dans un certain nombre de domaines d’application, notamment :

• validation du système au niveau opérationnel
• vous permettant de tester les systèmes mécatroniques de demain
• génération de données basées sur des simulations pour l’apprentissage profond
• développement d’un système de contrôle autonome
• la construction de jumeaux numériques basés sur la simulation pour une meilleure prise de décision dans l’ingénierie et la maintenance des produits.
• créer des simulateurs pour faire participer les clients à des démonstrations immersives de produits et à la formation des opérateurs

Déployer la simulation du conducteur en boucle pour des produits plus intelligents

Bien sûr, si vous êtes un OEM, vous savez déjà que le succès d’un produit dépend des réactions émotionnelles de personnes réelles.

Compte tenu de la complexité croissante des équipements et des systèmes embarqués d’aujourd’hui, la mise en contact de personnes réelles avec l’équipement virtuel est un élément clé de la réussite et de l’efficacité de la conception d’un produit, et devrait être effectuée tôt et souvent dans le processus de conception.

La simulation du conducteur dans la boucle est un excellent moyen d’y parvenir. Cependant, toutes les simulations de conduite en boucle n’offrent pas les capacités nécessaires. Elles doivent pouvoir créer des environnements dans lesquels les opérateurs peuvent interagir avec des machines virtuelles comme s’ils interagissaient avec l’équipement réel, afin de pouvoir offrir un retour d’information précis et pertinent.

En fait, les OEM se tournent de plus en plus vers l’utilisation de la simulation de qualité moteur et des jumeaux numériques pour la prise de décision autour d’une bonne conception de produit, et ce pour diverses raisons :

1. Les simulations haute fidélité permettent de tester des cas limites qu’il est impossible ou dangereux de tester sur un équipement réel – en effet, la simulation peut être plus réaliste que des essais limités sur des terrains d’essai. Elle est également mieux contrôlée et plus reproductible.
2. Les simulations de qualité technique suscitent des réponses et des comportements réalistes de la part d’opérateurs humains. Les opérateurs réels – en d’autres termes, l’utilisateur qui est le mieux placé pour être votre évangéliste ultime – sont mis en contact direct avec les systèmes d’essai bien plus tôt dans le cycle de conception.
3. Les moteurs peuvent déployer une stratégie d’échec rapide, avec des modèles d’évaluation/acceptation/rejet pour le prototypage rapide, et passer en toute confiance et de manière rentable aux étapes suivantes du développement.
4. Les simulateurs peuvent également être utilisés pour tester de nouveaux concepts de contrôle ainsi que des systèmes ADAS ou d’assistance à l’opérateur.
5. Avec l’IA dans la boucle de certains systèmes de contrôle autonomes, il existe également un risque réel que les opérateurs sortent de la boucle pendant les périodes d’inactivité, de sorte que le passage entre le contrôle autonome et le contrôle manuel est également une question qui peut être évaluée dans des simulateurs de conduite dans la boucle.
6. Les simulateurs permettent également de tester les systèmes avec des opérateurs distraits ou fatigués, de tester la sécurité fonctionnelle et même de régler les contrôleurs.

Ce qu’il faut rechercher dans une solution de simulation du conducteur en boucle

Les principaux composants d’un simulateur de conducteur dans la boucle peuvent être divisés en deux grandes catégories : le logiciel et le matériel :

Logiciel

Tout d’abord, une simulation multi-domaine en temps réel de la machine ou de l’équipement est nécessaire. Il est essentiel que les simulations soient des modèles de dynamique mécanique de niveau ingénieur, plutôt que des jeux. Il peut même être nécessaire de traduire des modèles provenant d’applications multicorps internes existantes.

Deuxièmement, il doit être possible de simuler l’interaction entre la machine et son environnement de travail. Cela inclut le contact entre la machine et les objets du chantier, ainsi que la modélisation des chenilles et des pneus pour les équipements de construction et agricoles, qui peut inclure des modèles de mécanique des sols en temps réel pour les outils qui creusent ou labourent le sol, le sable ou la roche.

Enfin, le logiciel doit être capable de simuler l’ensemble du chantier, y compris les travailleurs, les autres machines et la circulation, et même les intempéries.

Matériel

Du point de vue matériel, un simulateur incorpore bien sûr un système visuel et un système audio. Ce système peut aller d’un simple casque de RV sur le bureau à plusieurs téléviseurs, en passant par des systèmes de projection immersifs entourés, déformés et mélangés.

Le mouvement est aussi souvent un élément clé des simulateurs de conduite en boucle, et nous pensons que le mouvement et le contrôle haptique pour la direction et d’autres commandes sont importants pour créer une évaluation de haute fidélité. Cependant, ni le mouvement ni l’haptique ne peuvent rendre avec précision ce comportement correct si la simulation qui les pilote n’est pas de qualité moteur.

Enfin, les solutions « driver-in-the-loop » peuvent inclure une maquette des commandes de l’opérateur et des IHM. Celles-ci peuvent éventuellement intégrer les unités de contrôle électronique (ECU) et le matériel de contrôle de la machine réelle, ou vous pouvez les simuler. Les maquettes peuvent évidemment aller d’une simple configuration de bureau à une réplique complète de la cabine.

Exemples concrets de simulation de conduite en boucle

Quelques exemples de nos clients aideront à concrétiser le cas d’utilisation de la simulation « human-in-the-loop » pour les OEM.

Le premier est celui d’un grand OEM forestier qui réalisait un prototype d’utilisation de la cinématique inverse (IK) pour les opérations forestières. L’idée était d’utiliser la cinématique inverse pour faciliter l’apprentissage et l’utilisation de cette opération.

En utilisant d’abord la simulation, ils ont éliminé le besoin d’un prototype physique à ce stade précoce de la conception de la commande, et ont permis aux moteurs de mettre au point les commandes. Une fois que le concept de contrôle initial a été éprouvé dans le logiciel, les commandes matérielles physiques ont pu être intégrées dans la version du pilote.

Le résultat : une nouvelle fonction de contrôle puissante pour le Porteur forestier de l’OEM, qui a permis à ses clients d’améliorer leur efficacité. Cela signifie non seulement qu’un seul opérateur peut charger beaucoup plus de camions chaque année, mais aussi que le système est plus facile à utiliser et à former, car son fonctionnement est plus simple.

Il est important de noter que l’industrie forestière souffre d’une importante pénurie de main-d’œuvre qualifiée. Il arrive souvent que les grumes ne puissent pas être acheminées de la forêt à l’usine en raison de cette pénurie, ce qui entraîne même la fermeture d’opérations forestières au cours de l’année. C’est pourquoi il est essentiel de rendre les machines plus faciles à utiliser et plus productives.

L’exemple suivant est celui d’un grand OEM d’équipement de construction. Bien entendu, le matériel de terrassement repose sur des systèmes hydrauliques sophistiqués composés de vannes, de pompes et de tuyaux, ainsi que d’un système de contrôle et de capteurs. Ces systèmes hydrauliques doivent être associés à un moteur de taille appropriée, puis optimisés en termes de performances et d’économie de carburant, essentiellement en réglant les paramètres de contrôle.

Cette mise au point est très coûteuse sur les prototypes physiques, en particulier sur les terrains d’essai éloignés. Dans ce cas, les ingénieurs de l’OEM avaient déjà utilisé les outils de simulation hydraulique, mais ils avaient besoin de développer un simulateur grandeur nature d’une machine complète incorporant des sous-systèmes hydrauliques, mécaniques, électriques ou électroniques.

L’équipe avait besoin d’outils lui permettant de modéliser tous ces sous-systèmes dans un environnement unique, afin de réaliser des simulations en temps réel du système complet. Cette approche leur permettrait de faire des choix éclairés en matière de conception, en tenant compte non seulement des performances et de l’efficacité, mais aussi du retour d’information de l’opérateur qui conduit la machine.

Un environnement de modélisation et de simulation prenant en charge plusieurs domaines était essentiel à l’approche d’ingénierie simultanée de l’entreprise, dans laquelle les équipes développent en parallèle divers sous-systèmes du produit final et convergent ensuite vers une solution optimale.

En utilisant leurs modèles hydrauliques en temps réel existants, ils ont pu les relier à une simulation mécanique dynamique de la machine ainsi qu’à des simulations de la mécanique des sols à l’aide de Vortex Studio.

Tout cela a été combiné à un système visuel synchronisé multicanal basé sur 24 projecteurs et piloté par Vortex Studio, ainsi qu’à une plate-forme de mouvement à 6 DOF avec une maquette complète de la cabine et des commandes.

Le résultat pour l’OEM a été une réduction de 30 % du prototypage physique, avec des économies considérables à la clé. Il a également permis de réduire le délai de développement des nouveaux produits et d’améliorer la qualité des produits, étant donné qu’un plus grand nombre de scénarios d’essai sont pris en compte.

Actuellement, il permet aux moteurs de reproduire tout problème pouvant survenir sur le terrain, de résoudre les problèmes et de trouver rapidement des solutions. L’impact a donc été très important dans leur processus de conception, et nous continuons à travailler avec cet OEM.

Le mot de la fin

Bien avant la pandémie, les économies passaient de la fourniture de biens et de services à un ensemble d’expériences, l’expérience elle-même devenant le produit. Naturellement, les attentes des clients et la conception des produits évoluent plus que jamais à l’ère de l’expérience.

De nombreux opérateurs d’équipements industriels se sont lancés dans une course aux solutions pour répondre à ces attentes, ce qui met en lumière le facteur humain – la combinaison d’éléments physiologiques et psychologiques qui définit l’expérience totale d’utilisation.

Fondamentalement, c’est cette expérience qui captive les humains et les motive à acheter et même à évangéliser les machines avec lesquelles ils travaillent, donc tout cela revient au principe de base, à savoir que l’interaction entre l’humain et la machine est au centre de la conception des équipements.

En fin de compte, la conception, la construction, l’intégration et le soutien des simulateurs de conduite dans la boucle est un effort multidisciplinaire, et CM Labs a des spécialistes et des partenaires qui sont disponibles pour vous aider avec des projets spéciaux dans le domaine de la simulation de conduite dans la boucle, y compris la modélisation de simulation, l’intégration de logiciels, la conception de simulateurs et la conception audio-visuelle. Nous disposons également d’un réseau de partenaires à l’échelle mondiale pour vous fournir une assistance locale en Amérique, en Europe et dans la région Asie-Pacifique. Il vous suffit de nous contacter pour parler à l’un de nos experts, qui pourra vous guider dans les premières étapes de la définition et de l’évaluation de votre projet.