Dans un contexte de besoins croissants de moyens de communication pour augmenter la sécurité des vols et répondre aux attentes des compagnies et des passagers, le monde de l’aviation civile cherche de nouveaux systèmes de communication pouvant répondre à ces objectifs. Les systèmes de communication sol-bord existants, que ce soit les solutions par satellites en bande L (SATCOM, ...) ou les solutions cellulaires par liaison directe avec le sol (HF, VHF, ...), présentent des limites en terme de capacité, de couverture et de coût. La proposition avancée dans le cadre de cette thèse est d’utiliser les avions comme relais afin de propager les données jusqu’à une station sol. Ce système peut être vu comme un réseau ad hoc mobile dont les nœuds sont les avions civils en vol. Grâce à plusieurs sauts successifs au travers d’avions relais, chaque avion doit pouvoir joindre le sol sans être à portée directe d’une station. Le réseau ad hoc ainsi formé peut ensuite être utilisé pour différentes classes de communications : contrôle aérien, services pour les compagnies aériennes ou pour les passagers. Une telle solution permettrait d’améliorer la couverture des solutions cellulaires classiques en zone continentale. Elle est également applicable en zone océanique où les seuls moyens disponibles sont actuellement le satellite et la HF. On peut imaginer que les coûts de déploiement et de maintenance seraient relativement bas puisque l’infrastructure sol est limitée. Dans cette thèse, nous avons étudié la faisabilité puis les performances qui peuvent être attendues pour ce système de communication aéronautique innovant.

Les visualisations de données permettent de transmettre de l’information aux utilisateurs. Pour explorer et comprendre les données, les utilisateurs sont amenés à interagir avec ces visualisations. Toutefois, l’interaction avec les visualisations modifie le visuel. Pour éviter des changements brusques et garder l’utilisateur focalisé sur les objets graphiques d’intérêt, des transitions visuelles sont nécessaires pour accompagner les modifications de la visualisation. Ces transitions visuelles peuvent être codées sous la forme d’animations, ou de techniques qui permettent de faire des correspondances, ou des liens avec des données représentées sur plusieurs affichages. Le premier objectif de cette thèse était d’étudier les bénéfices et les propriétés des animations pour l’exploration et la compréhension de grandes quantités de données multidimensionnelles. Nous avons établi en conséquence une taxonomie des transitions animées en visualisation d’information basée sur les tâches des utilisateurs. Cette taxonomie a permis de constater qu’il n’existe pas de contrôle utilisateur sur la direction des objets durant l’animation. Nous avons donc proposé des interactions pour le contrôle de la direction des objets graphiques lors d’une transition animée. D’autre part, nous avons étudié une technique de transition animée mettant en jeu une rotation 3D entre visualisations. Nous avons identifié les avantages qu’elle pouvait apporter et en avons proposé une amélioration. Le second objectif était d’étudier les transitions visuelles dans le domaine du Contrôle du Trafic Aérien. En effet, les contrôleurs utilisent de nombreuses visualisations qui comportent des informations étalées et dupliquées sur plusieurs affichages: l’écran Radar, le tableau de strips, des listes spécifiques d’avions (départ, arrivées) etc. Ainsi dans leur activité, les Contrôleurs Aériens réalisent des transitions visuelles en recherchant et en reliant de l’information à travers les différents affichages. Nous avons étudié comment les animations pouvaient être utilisées dans le domaine du contrôle aérien en implémentant un prototype d’image radar regroupant trois visualisations usuelles pour instrumenter l’activité de supervision du trafic aérien.

Le contrôle aérien rentre dans une phase de profondes mutations liées à l’augmentation du trafic et à l’évolution des outils permettant d’assurer le service. L’augmentation du nombre d’avions gérés par le contrôleur implique un nombre beaucoup plus important qu’auparavant d’informations à traiter et mémoriser ; or une part importante des causes d’incidents est déjà due à des problèmes de perception et de mémorisation des informations amplifiées par la taille des écrans de contrôle. Ceux-ci sont particulièrement critiques dans le cas de la perception des alarmes et des avertissements donnés par le système sur la visualisation radar. Le design actuel de ce type d’alertes en France qui n’utilise que la couleur, fait aujourd’hui débat et il a été recommandé dans un bulletin de sécurité aérienne de le faire évoluer. La perception des informations nécessaires à l’établissement d’une bonne conscience de la situation aérienne des contrôleurs est au centre de cette thèse. L’objet principal de ce travail est d’améliorer la conscience de la situation des contrôleurs en s’assurant que les éléments pertinents à leur disposition dont les alarmes sont perçus dans des délais conformes à leur importance et que les actions nécessaires qui en découlent sont bien réalisées. Pour répondre à cette problématique, notre travail s’est porté sur deux axes. Le premier consiste à étudier la tâche des contrôleurs de façon à analyser les informations nécessaires à la réalisation de certains objectifs et proposer un agent de suivi de la tâche qui pourrait les épauler. Le second porte sur la perception des notifications, plus particulièrement en vision périphérique, et la conception de designs propres à améliorer leur perception ainsi que l’étude de leur impact sur la réalisation de la tâche. Grâce à une approche holistique basée sur l’utilisation d’un micro-monde ATC (Laby) et l’utilisation de capteurs physiologiques, nous avons pu évaluer plusieurs designs de notifications. Deux expérimentations ont été conduites, la première utilisant de l’oculométrie, visait à mesurer le pouvoir attentionnel de cinq designs et leur impact sur la réalisation de la tâche. La seconde, en utilisant des données neurophysiologiques, visait à mesurer l’impact de deux designs sur la charge de travail. Les designs évalués ont servi à concevoir un système de notification intégré dans une nouvelle supervision radar qui a été couplé à l’agent de suivi de la tâche. La dernière expérimentation conduite durant ces travaux avait pour objectif d’évaluer l’impact de cette nouvelle position de contrôle dont le design est orienté conscience de la situation sur la détection de problèmes critiques. Les résultats obtenus montrent l’intérêt de ces nouveaux outils et leur impact positif sur la réalisation de la tâche des contrôleurs ainsi que la nécessité d’évaluer dans un contexte expérimental contrôlé les caractéristiques des designs de notifications pour les visualisations de supervision.

Le travail effectué au cours de cette thèse tente d’apporter une solution algorithmique à la problématique de l’estimation de l’état d’un mini-drone en vol qui soit compatible avec les exigences d’embarquabilité inhérentes au système. Il a été orienté vers les méthodes d’estimation non linéaire à base de modèles. Les algorithmes d’estimation, d’état ou de paramètres, et de contrôle apparaissent primordiaux, lorsque la technologie des capteurs et des actionneurs, pour des raisons de coût et d’encombrement essentiellement, ne permet pas de disposer de capacités illimitées. Ceci est particulièrement vrai dans le cas des micro- et des mini-drones. L’estimation permet de fusionner en temps réel les informations imparfaites provenant des différents capteurs et de fournir une estimation, par exemple de l’état du drone (orientation, vitesse, position) au calculateur embarqué où sont implémentés les algorithmes de commande de l’engin. Ce contrôle de l’appareil doit garantir sa stabilité en boucle fermée quelque soit l’ordre de consigne fourni directement par l’opérateur ou par tout système automatique de gestion du vol et assurer que celle-ci soit correctement recopiée. Estimation et commande participent donc grandement au succès de toute mission. Une dimension extrêmement importante qui a conditionné les travaux entrepris tout au long de cette thèse concerne la capacité d’emport des mini-drones que nous considérons. En effet, celle-ci, relativement limitée, et couplée à la volonté de ne pas grever les budgets de développement de tout mini-drone, autorise uniquement l’intégration de matériels dits bas-coûts. Malgré les progrès significatifs de la miniaturisation et l’augmentation continuelle des capacités de calcul embarqué (loi de Moore), les mini-drones d’intérêt considérés ici n’embarquent donc que des capteurs aux performances limitées dans un contexte où cette catégorie d’engins autonomes est amenée à être de plus en plus fréquemment exploitée pour remplir des missions elles-mêmes toujours plus nombreuses. Celles-ci requièrent notamment que de tels drones puissent de manière sûre s’insérer et partager l’espace aérien civil moyennant le passage d’une certification de leur vol au même titre que pour les avions de transport des différentes compagnies aériennes. Dès lors, face à cet enjeu de sécurisation des vols de mini-drones, la consolidation de la connaissance de l’état de l’aéronef par des techniques d’estimation devient un tâche essentielle pour en assurer le contrôle, y compris en situations dégradées (pannes capteurs, perte occasionnelle de signaux, bruit et perturbations environnantes, imperfections des moyens de mesure, etc). Tenter de répondre à cet enjeu conduit naturellement le chercheur à s’attaquer à des problèmes relativement nouveaux, en tout cas pas forcément aussi proches de ceux qui se posent dans le secteur de l’aéronautique civile ou militaire, où le système avionique est sans commune mesure avec celui sur lequel nous avons travaillé dans cette thèse. Ce travail à tout d’abord consisté à définir une modélisation dynamique descriptive du vol des mini-drones étudiés, suffisamment générique pour être appliquée à différents types de minidrones (voilure fixe, multirotor, etc). Par la suite, deux algorithmes d’estimation originaux, dénommés IUKF et -IUKF, exploitant ce modèle, ont été développés avant d’être testés en simulation puis sur données réelles pour la version -IUKF. Ces deux méthodes transposent le cadre générique des observateurs invariants au cas de l’estimation non linéaire de l’état d’un système dynamique par une technique de type Unscented Kalman Filter (UKF) qui appartient à la classe plus générale des algorithmes de filtrage non linéaire de type Sigma Point (SP). La solution proposée garantit un plus grand domaine de convergence de l’estimé que les techniques plus traditionnelles. Elle sera à l’avenir intégrée à l’avionique des mini-drones de l’ENAC et le code informatique est d’ores et déjà disponible sous Paparazzi.

Cette thèse s’intéresse à la manière d’optimiser l’apprentissage du pilotage par l’amélioration de l’éducation du comportement oculaire. Dans divers domaines (e.g., médical, aéronautique), différentes méthodes d’éducation du comportement oculaire ont démontré leur efficacité quant à leur capacité à optimiser le temps d’apprentissage d’une tâche. Toutefois, dans le domaine du pilotage, cela n’a reçu que très peu de validation empirique (Ziv, 2016) notamment à cause de difficultés de mise en œuvre technique et méthodologique inhérentes à la nature dynamique et complexe de l’activité de pilotage (Eyrolle et al., 1996). Dans le but d’éduquer le comportement oculaire des élèves-pilotes, nous avons tout d’abord modélisé les caractéristiques du comportement oculaire à adopter. Puis nous avons conçu, développé et validé expérimentalement un outil spécifique, le PilotGazeTrainer, permettant de mettre en œuvre une nouvelle méthode originale d’éducation du comportement oculaire basée sur deux principes essentiels : l’analyse permanente du regard du participant, et l’affichage en temps-réel de feedbacks visuels ou sonores. Afin d’évaluer cette nouvelle méthode, nous avons réalisé plusieurs expérimentations sur un simulateur de vol et sur un micromonde développé pour l’occasion (l’AbstractFlyingTask). Les premiers résultats montrent que notre méthode permet, en très peu de temps, une modification durable du comportement oculaire bénéfique pour les personnes concernées. Ces résultats comportementaux ont également révélé le potentiel des outils développés – le micromonde AbstractFlyingTask et le PilotGazeTrainer – pour éduquer le comportement oculaire.

L’occlusion est un problème dans la visualisation volumétrique car elle empêche la visualisation directe d’une région d’intérêt. Alors que la plupart des systèmes existants utilisent une combinaison de techniques de rendu en volume direct (DVR) et de leur fonction de transfert (TF) correspondante, nous avons envisagé des techniques d’interaction alternatives pour explorer ces ensembles de données.Tout d’abord, nous avons proposé un nouveau système de visualisation interactive pour les bagages numérisés en 3D, accéléré par les techniques GPGPU, conformément aux besoins que nous avons extraits de l’enquête contextuelle auprès des agents de sécurité de l’aéroport.Deuxièmement, nous avons proposé une nouvelle technique qui associe un rendu volumétrique de haute qualité à une lentille rapide, polyvalente et facile à utiliser pour prendre en charge l’exploration interactive des données occluses dans des volumes.

La « surface », dans les systèmes interactifs tactiles est à la fois le support du toucher et de l’image. Alors qu’au fil du temps les surfaces tactiles se sont transformées dans leur épaisseur, forme et rigidité, la modalité d’interaction se limite, comme sur les premiers dispositifs, à une mise en contact simple du doigt avec l’écran dans un geste qui feint de manipuler ce qui est affiché. Le sens du toucher, même pour des dispositifs tactiles installés dans des systèmes critiques comme dans l’aéronautique ou l’automobile, reste essentiellement sollicité en tant que prolongement de la vision, pour pointer et contrôler. Alors que les théories de la phénoménologie de la perception, de la perception écologique et des interactions tangibles et incarnées reconnaissent l’importance du corps, de la motricité et des interactions avec l’environnement dans les phénomènes perceptifs, il paraît réducteur de continuer à considérer la vision comme sens premier et principal de l’interaction tactile.Nous pensons que la transformation de la forme physique de l’interface tactile est un moyen efficace pour réincarner l’espace d’interaction tactile en utilisant mieux les capacités motrices des utilisateurs ainsi que leurs habiletés à négocier, manipuler et s’orienter dans leur environnement. A partir d’une caractérisation des risques potentiels du développement des interactions tactiles dans le contexte d’un cockpit d’avion de ligne (augmentation de la charge cognitive, sur-sollicitation du canal visuel, altération de la conscience de la situation, etc.), nous explorons les apports d’une interface tactile à changement de forme pour améliorer la collaboration pilotes-système au travers de la conception, la fabrication et l’évaluation de trois prototypes fonctionnels. Avec l’étude qualitative et quantitative du prototype GazeForm, nous montrons que le changement de forme d’une surface tactile en fonction de la position du regard permet de diminuer la charge de travail, améliorer la performance, réduire les mouvements oculaires et améliorer la distribution de l’attention visuelle comparativement à un écran tactile classique. Par l’élaboration du concept Multi-plié nous mettons en évidence les dimensions et propriétés de la transformation par pliure d’une surface d’affichage interactive. Avec les évaluations qualitatives des deux dispositifs illustrant le concept, le premier présentant une série d’écrans tactiles articulés et le deuxième une surface d'affichage tactile « plissable », nous démontrons qu’une surface tactile continue pliable offre un support pertinent à l'interaction incarnée et permet d’augmenter la sensation de contrôle pour la gestion d’un système critique. Enfin, pour généraliser la connaissance produite à d’autres contextes d’usages avec une forte division de l’attention visuelle (conduite automobile, salle de contrôle, appareil tactile portable en mobilité) nous proposons un espace de conception pour les interfaces tactiles reconfigurables.

Afin de simplifier la gestion des ressources humaines et de réduire les coûts d’exploitation, certaines tours de contrôle sont désormais conçues pour ne pas être implantées directement sur l’aéroport. Ce concept, connu sous le nom de tour de contrôle distante (remote tower), offre un contexte de travail “digital” : la vue sur les pistes est diffusée via des caméras situées sur le terrain distant. Ce concept pourrait également être étendu au contrôle simultanés de plusieurs aéroports à partir d’une seule salle de contrôle, par un contrôleur seul (tour de contrôle distante multiple). Ces notions nouvelles offrent aux concepteurs la possibilité de développer des formes d’interaction novatrices. Cependant, la plupart des augmentations actuelles reposent sur la vue, qui est largement utilisée et, par conséquent, parfois surchargée.Nous nous sommes ainsi concentrés sur la conception et l’évaluation de nouvelles techniques d’interaction faisant appel aux sens non visuels, plus particulièrement l’ouïe, le toucher et la proprioception. Deux campagnes expérimentales ont été menées. Durant les processus de conception, nous avons identifié, avec l’aide d’experts du domaine, certaines situations pertinentes pour les contrôleurs aériens en raison de leur criticité: a) la mauvaise visibilité (brouillard épais,perte de signal vidéo), b) les mouvements non autorisés au sol (lorsque les pilotes déplacent leur appareil sans y avoir été préalablement autorisés), c) l’incursion de piste (lorsqu’un avion traverse le point d’attente afin d’entrer sur la piste alors qu’un autre, simultanément, s’apprête à atterrir) et d) le cas des communications radio simultanées provenant de plusieurs aéroports distants. La première campagne expérimentale visait à quantifier la contribution d’une technique d’interaction basée sur le son spatial, l’interaction kinesthésique et des stimuli vibrotactiles, afin de proposer une solution au cas de perte de visibilité sur le terrain contrôlé. L’objectif était d’améliorer la perception de contrôleurs et d’accroître le niveau général de sécurité, en leur offrant un moyen différent pour localiser les appareils. 22 contrôleurs ont été impliqués dans une tâche de laboratoire en environnement simulé. Des résultats objectifs et subjectifs ont montré une précision significativement plus élevée en cas de visibilité dégradée lorsque la modalité d’interaction testée était activée. Parallèlement, les temps de réponse étaient significativement plus longs relativement courts par rapport à la temporalité de la tâche. L’objectif de la seconde campagne expérimentale, quant à elle, était d’évaluer 3 autres modalités d’interaction visant à proposer des solutions à 3 autres situations critiques : les mouvements non autorisés au sol,les incursions de piste et les appels provenant d’un aéroport secondaire contrôlé. Le son spatial interactif, la stimulation tactile et les mouvements du corps ont été pris en compte pour la conception de 3 autres techniques interactives. 16contrôleurs aériens ont participé à une expérience écologique dans laquelle ils ont contrôlé 1 ou 2 aéroport(s), avec ou sans augmentation. Les résultats comportementaux ont montré une augmentation significative de la performance globale des participants lorsque les modalités d’augmentation étaient activées pour un seul aéroport. La première campagne a été la première étape dans le développement d’une nouvelle technique d’interaction qui utilise le son interactif comme moyen de localisation lorsque la vue seule ne suffit pas. Ces deux campagnes ont constitué les premières étapes de la prise en compte des augmentations multimodales non visuelles dans les contextes des tours de contrôles déportées Simples et Multiples.

Les technologies de suivi du regard permettent d’estimer les endroits dans une scène où un utilisateur regarde. Les capacités des dispositifs informatiques sont en perpétuelle croissance, ainsi que le besoin pour de nouveaux outils qui peuvent permettre de tirer profit de nouveaux moyens de communiquer (par exemple avec les yeux). Ces systèmes sont utilisés dans divers domaines, notamment dans l’interaction homme-machine, les études sur l’ergonomie et l’utilisabilité, et le transfert de connaissance. Par exemple, pour les personnes ayant une déficience motrice ou un handicap physique, la saisie de texte par le regard peut être un important moyen d’interaction. En outre, ces outils peuvent être également utilisés pour comprendre les comportements visuels d’un pilote cherchant de l’information dans un cockpit.Toutefois, un certain nombre de barrières existent et rendent l'utilisation de ces outils moins précise et donc moins efficace. L’un des problèmes majeurs est le décalage entre la position réelle et la position estimée du point de regard de l’utilisateur. Celui-ci, sujet à des erreurs de précision, ne permet pas encore de se servir pleinement du canal d’interaction que peut offrir le regard. Suite aux progrès récents des technologies de détection de mouvements oculaires, on s’intéresse de plus en plus aux systèmes abordables, pas coûteux, précis et facilement utilisables.Cette thèse porte sur différents aspects de la recherche sur les mouvements oculaires. Elle propose de nouvelles approches qui permettent d’augmenter la précision de calcul de l’estimation du regard. En effet, nous montrerons qu’il existe des fonctions polynomiales plus adaptées que les modèles utilisés dans la littérature, et même dans les outils commercialisés. Nous proposons donc une nouvelle façon de construire automatiquement de nouveaux modèles qui sont mieux adaptés pour l’estimation du regard, et ce, pour tous les types de méthodes de calibration basées sur les fonctions polynomiales, connus à ce jour. Nous présentons aussi de nouvelles stratégies pour l’interaction basée sur le regard, ne nécessitant aucune calibration préalable. En plus de proposer des stratégies pour améliorer la précision et des techniques d’interaction, des outils de visualisation et d’exploration sont également proposés. Dans cette thèse, nous contribuons alors sous quatre différents angles: les techniques de calibration, l’interaction basée sur le regard, la visualisation et l’exploration.

L’activité de pilotage implique une étroite collaboration entre les pilotes. En effet,même si ceux-ci partagent un espace co-localisé, leur besoin en matière de conscience mutuelle correspond davantage à une collaboration à distance. Compte tenu de la séparation des tâches, ils doivent agir et regarder dans des directions parfois opposées tout en assurant une bonne coordination de l'activité globale. La parole, l’expressivité gestuelle et la disposition des contrôleurs physiques sont des moyens importants pour transmettre les informations utiles à la conscience mutuelle de la situation au sein du poste de pilotage.Cependant, dans les postes de pilotage des avions de ligne, les écrans tactiles sont en train progressivement de remplacer les contrôleurs physiques. Malgré les nombreux avantages des interactions tactiles et des affichages dynamiques, cela génère un problème dans le partage des informations transmises par les gestes entre les deux pilotes. Les gestes sont à la fois moins perceptibles et moins compréhensibles. L’objectif de ce travail de thèse est de combler ce déficit d'information en proposant un moyen de représenter, à même l'interface numérique tactile, les bonnes propriétés des gestes physiques, et ceci afin de préserver la capacité des pilotes à se coordonner.Pour cela, nous proposons la conception d’un système de représentation graphique permettant de suppléer les gestes effectués par les pilotes sur l'interface tactile. A partir de la littérature spécialisée et d’une analyse de l’activité gestuelle, nous avons identifié neuf informations produites par les gestes physiques et qui doivent idéalement être reproduite dans l'interaction avec l'interface numérique tactile. En complément, nous avons mené un état de l’art sur les représentations des gestes. Nous proposons une représentation iconique et abstraite en rupture avec les représentations basées sur la morphologie de la main. Des représentations ont été conçues et évaluées par des pilotes lors d’ateliers participatifs. Notre travail montre une nouvelle manière de représenter les gestes et permet d’identifier les informations recherchées par les pilotes afin qu'ils soient en capacité d'assurer leur conscience mutuelle. Par ailleurs, il apparait que les représentations des gestes ont des statuts d’importances différentes selon la situation, allant parfois jusqu’à être inutiles.