Brevet FR2670004A1 — publié le 19920605

PODOMETRE DE LOCALISATION POUR PIETON La présente invention se situe dans le domaine des systèmes de navigation et de localisation, destinés à la navigation des piétons. Les systèmes de navigation connus du type à référentiel inertiel sont lourds et ne conviennent donc pas pour un piéton. Les systèmes de type radio électriques fonctionnant par référence à des balises au sol ou sur satellites sont vulnérables au brouillage électronique et sont difficilement utilisable en sous-bois ou en zone urbaine en raison des phénomènes de masque. La présente invention vise donc un système de navigation léger, rustique et économique destiné à permettre la navigation et la localisation d'un piéton. A cette fin le dispositif selon l'invention reprend le principe de la navigation inertielle mais en l'adaptant au cas d'un piéton. Dans le cas d'un piéton les distances et- les vitesses sont telles que des dérives des capteurs n'entraînent pas sur de courts instants d'importantes erreurs, on peut donc se contenter de capteur (accélérométres, gyrométres, magnétométres) rustiques, à condition de corriger périodiquement les dérives. Le dispositif selon l'invention comporte disposé de préférence dans une des chaussures du piéton, des moyens de mesure du vecteur accélération, des capteurs de direction, et des moyens de calcul. Les moyens de mesure du vecteur accélération pourront être trois accéléromètres mesurant chacun l'accélération selon une direction, les trois directions constituant un trièdre orthonormé. Les capteurs de direction pourront être constitués par un capteur de vertical et un capteur de nord magnétique, ou par trois magnétomètres. Les moyens de calcul fournissent à partir des informations reçues des différents capteurs les coordonnées géographiques des lieux d'arrivée connaissant les coordonnées géographiques du point de départ dit initial. I1 a été signalé que tous les capteurs étaient rustiques en sorte qu'ils peuvent avoir des dérives importantes. Le principe du dispositif de navigations selon l'invention est de profiter des phases d'arrêt du pied pour recouper les informations en provenance des différents capteurs et tenir compte des dérives constatées pour effectuer les corrections de capteur et les calculs de coordonnées de position Dans ce qui suit on admet qu'à partir des capteurs de direction il est possible de définir pour le calculateur un système de coordonnées dont les axes sont la verticale, la projection sur un plan perpendiculaire à la verticale, donc horizontal,} de la direction du nord magnétique, et la perpendiculaire au plan définit par les deux axes précédents qui définit donc la ligne Est-Ouest. Le référentiel géographique ainsi définit doit être relié au référentiel formé par les trois accélérométres de chaussure. On admet qu'au moment du départ les deux référentiels sont alignés. Un calcul permanent de l'intégrale d'accélération et de l'intégrale de vitesse permettra de connaître à tout moment la position géographique de la chaussure et sa disposition angulaire par rapport au référentiel géographique. Pour déterminer la position géographique du mobile on ne s'intéresse qutà la variation des coordonnées horizontales et verticales. Cela signifie que l'on calcule en permanence la double intégrale de l'accélération dans trois directions. Pour cela le calculateur effectue la projection des vecteurs accélération selon les trois directions : Est-Ouest, Nord-Sud, haut-bas. Le principe de correction des capteurs et des données qu'ils fournissent va être maintenant explicité. En ce qui concerne les indications des accélérométres on admet que lorsque les valeurs absolues des accélérations Est-Ouest, Nord-Sud, haut-bas restent pendant un temps supérieur à un temps To à des valeurs inférieures à des seuils et a et que simultanément les valeurs absolues calculées par a les intégrateurs d'accélérations sont inférieures à des seuils V cela signifie que le pied est à l'arrêt. En conséquence si toutes les conditions énumérées ci-dessus sont réunies le calculateur effectue une remise à zéro (RAZ) de chacun des intégrateurs d'accélération et une correction des accélérométres pour ne laisser subsister que le vecteur d'accélération de la pesanteur. Cette première correction effectuée on peut corriger l'indication des capteurs de direction. La direction du vecteur accélération définit par les accélérométres définit la position de la verticale et permet donc ce recalage. L'invention est donc relative à un dispositif de navigation du type comportant un ensemble de capteurs d'un vecteur accélération, un ensemble de capteurs de direction et des moyens de calcul effectuant à partir des données reçues des ensembles de capteurs au moyen d'intégrateurs d'accélération donnant des valeurs de vitesses et d'intégrateurs de vitesse donnant des valeurs de distance, des calculs de coordonnées géographiques, caractérisé en ce qu'il comporte des comparateurs comportant deux entrées, une première partie de ces comparateurs recevant sur l'une de leurs entrées les valeurs de l'accélération selon au moins deux axes et sur l'autre des valeurs de références g a une seconde partie de ces comparateurs recevant sur l'une de leurs entrées les valeurs de la vitesse selon les mêmes axes et sur l'autre entrée des valeurs de référence 6 v -chacun de ces comparateurs ne délivrant un signal positif que si les valeurs des grandeurs d'entrée sont inférieures à la valeur de référence (ga ev) reçue sur l'autre entrée, un ensemble de portes "et" recevant les signaux de chacun des comparateurs et ne délivrant un signal positif que si tous les signaux reçus des comparateurs sont positifs, le signal positif de l'ensemble de portes "et" provoquant la remise à zéro des intégrateurs d'accélération et des indications de l'ensemble de capteurs du vecteur accélération. De préférence le dispositif de navigation selon l'invention est disposé dans une chaussure. De préférence ensemble de capture du vecteur accélération est constitué de trois accéléromètres mesurant l'un l'accélération longitudinale de la chaussure l'autre l'accélération transversale et le troisième l'accélération selon une direction perpendiculaire aux deux autres. De préférence les accéléromètres sont du type à variation de capacité. Les capteurs de directions peuvent être constitués par un capteur de vertical et un capteur de nord magnétique, le capteur de vertical pouvant être un gyromètre ou un accéléromètre de vertical, le capteur de nord magnétique étant un magnétomètre ou un compas. Les capteurs de directions peuvent aussi être constitués par trois magnétomètres mesurant le champ magnétique dans trois directions formant un trièdre. L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple particulier de réalisation qui sera exécuté en référence aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1, représente le schéma général du dispositif selon l'invention. - La figure 2, représente un piéton équipé du dispositif selon l'invention. - La figure 3 représente la chaussure du piéton équipée du dispositif selon l'invention et un dispositif de visualisation. - La figure 4, représente le dispositif selon la figure I dans le cas ou l'ensemble de capteurs est constitué de trois accéléromètres, d'un capteur de vertical et d'un capteur de nord magnétique. - La figure 5 représente le dispositif selon la figure 4 avec correction du capteur de vertical. - La figure 6 représente le dispositif selon la figure 1 lorsque les ensembles de capteurs sont constitués de trois accéléromètres et de trois magnétomètres. La figure 1 représente le schéma général du dispositif selon l'invention. Un calculateur 1 reçoit d'un ensemble de capteurs de direction 2 et d'accélération 3 des données. L'ensemble est logé dans un boîtier 5, dont émerge une liaison 6 vers un ensemble de visualisation et d'introduction de données 7 (non représenté sur cette figure). Les données en provenance des ensembles de capture 2 et 3 sont transformées par un module de calcul 10 du calculateur 1, pour obtenir les accélérations selon les axes Est-Ouest Nord-Sud et haut-bas. Les valeurs en sortie du module de calcul 10 sont transmises d'une part à des intégrateurs d'accélération 111, 112, 113 et d'autre part à rune des entrées de comparateurs 121, 122, 123.L'autre entrée de ces comparateurs reçoit la valeur de référence La valeur en sortie des intégrateurs il est appliquée à l'une des entrées de comparateurs 124, 125, 126, l'autre entrée de ces comparateurs étant alimentée par des valeurs de référence Chacun des comparateurs 12 ne délivre un signal positif que si sa valeur d'entrée est inférieure à sa valeur de référence. Les signaux de sortie des comparateurs 12 sont appliqués à un ensemble de porte "et" 15 qui ne délivrent un signal positif que si les six signaux reçus des portes "et" sont positifs. Le signal positif en sortie de porte "et" déclenche des modules de remise à zéro (RAZ) 16 des intégrateurs d'accélération 11 et de l'ensemble accéléromètres (3). Les sorties des intégrateurs d'accélération 11 alimentent des intégrateurs de vitesse 141 à 143 dont les sorties alimentent le dispositif de visualisation 7 par l'intermédiaire d'un port 18 et de la ligne 6. La figure 2 représente un piéton équipé du dispositif selon l'invention. Le boîtier 5 est logé dans une chaussure 22. Le boîtier est relié par une liaison 6 à un dispositif de visualisation 7 logé dans une poche 23 d'un équipement vestimentaire ou autre du piéton. La figure 3 représente ces mêmes éléments à une plus grande échelle. le boîtier 5 est logé dans le talon de la chaussure 22. Le dispositif de visualisation 7 comporte des touches 19, un écran 20 de préférence à cristaux liquides et une prise 21. Les touches 19 permettent la commande des données à visualiser sur l'écran 10 et l'introduction de données (en particulier position initiale). La prise 21 permet cette même introduction de façon rapide à partir d'un calculateur central non représenté. La figure 4 représente les mêmes éléments que la figure 1 selon un exemple préféré de réalisation dans lequel - l1ensemble de capteurs d'accélération 3 est constitué de trois accéléromètres 31 32' 33 captant l'un l'accélération longitudinale de la chaussure, l'autre l'accélération transversale et le troisième l'accélération dans une direction perpendiculaire aux deux premières. Ces accéléromètres sont de préférence de type capacitif - l'ensemble de capteurs de direction 2 est constitué d'un capteur de nord magnétique 8 et d'un capteur de vertical 9. Le capteur de nord magnétique peut être un compas ou un magnétomètre. Le capteur de verticale peut être un gyromètre ou un accéléromètre de verticale. les accéléromètres de verticale sont connus dans l'art. Ils sont constitués par une capacité déformables prenant au repos des valeurs variables en fonction de son inclinaison par rapport à la verticale. Le fonctionnement de cette réalisation préférée est le suivant Les données en provenance d'accéléromètres 32 33 donnant respectivement l'accélération longitudinale, transversale et verticale de la chaussure 22, les données en provenance d'un capteur de nord magnétique 8 celle d'un capteur de vertical 9 sont transmises à un calculateur VLSI (à très grande échelle d'intégration) 1 par l'intermédiaire de convertisseurs analogiques -numériques 131 à 135. Un module 10 du programme de ce calculateur effectue à partir de ces données un calcul des valeurs de l'accélération selon les axes Est-Ouest et Nord-Sud. Les valeurs ainsi calculées alimentent d'une part des intégrateurs 1 l2, 113 et d'autre part des comparateurs 121, 122, 123. Le signal en sortie de chacun des intégrateurs lii, 112, 113 qui représente la valeur des vitesses Nord-Sud et Est-Ouest et haut-bas alimente d'une part des intégrateurs 141, 142, 143 et d'autre part des comparateurs 124, 125, 126. Ces comparateurs 12 reçoivent sur leur autre entrée des valeurs de référence 6 a pour les comparateurs 121 à 123 et ; v pour les comparateurs 124 à 126. Les comparateurs ne délivrent un signal que si la valeur d'entrée est inférieure à la valeur de référence. Les sorties de comparateur 121 à 126 alimentent un ensemble de portes "et" 15 qui ne délivre un signal que sur présence simultanée des signaux des six comparateurs. Cela signifie que les accélérations Est-Ouest, Nord-Sud, haut-bas et les vitesses Est-Ouest et Nord-Sud, haut-bas ont été trouvées inférieures aux valeurs de référence fixées et donc que le pied est à l'arrêt.Le signal en sortie de l'ensemble de portes "et" 15 actionne les remises à zéro 161, 162 > 163 des intégrateurs 111, 112, 113 et corrige par l'intermédiaire de module de calcul 164, 165, 166 les données des accélérométres 31 à 33 de façon à ne laisser subsister que la valeur de l'accélération de la pesanteur. Les sorties des intégrateurs 14 alimentent le dispositif de visualisation 7 par l'intermédiaire d'un port 18 et la ligne 6. Le dispositif 7 affiche soit les coordonnées géographiques du lieu, longitude latitude, soit des données permettant de se situer sur une carte graduée spécialement, par exemple avec des caroyages LAMBERT. Ce dispositif permet également l'introduction de données vers le module de calcul 10 par l'intermédiaire du port 18. La figure 5 représente le même dispositif que précédemment mais avec en outre un dispositif de correction du capteur de verticale. Sur cette fréquence on voit que l'ensemble de porte "et" 15 alimente en plus des modules de remise à zéro 16 un module 17 du calculateur. Le signal en provenance des portes "et" 15 autorise le fonctionnement de ce module. Ce module reçoit les données des accéléromètres 31 à 33 captées en sorties des convertisseurs analogiquesnumériques 13i à 133. Lorsque la chaussure est au repos la somme des valeurs des trois vecteurs représente l'accélération de la pesanteur donc la verticale. La comparaison avec l'indication du capteur de vertical 9 reçue par le module 17 par l'intermédiaire du convertisseur analogique-numérique 135 permet d'effectuer la correction de ce capteur. Cette connexion est particulièrement nécessaire lorsque le capteur de verticale est un gyromètre. La figure 6 représente le même dispositif que celui de la figure 4 dans le cas ou le capteur de direction est constitué de trois magnétomètres 41 42 43. Ces magnétomètres sont disposés de façon à mesurer le champ magnétique dans trois directions perpendiculaires. Le fonctionnement de ce dispositif suppose que l'on a introduit dans un module 24 du calculateur 1 par l'intermédiaire du dispositif 7 les valeurs horizontales et verticales du champ magnétique dans la zone où va évoluer le piéton et partir de ces données et des données reçues des magnétomètres par l'intermédiaire de convertisseurs 134 à 136 le module de calcul 24 détermine la verticale et la direction du nord magnétique. Les dispositifs représentés sur les figures 1 à 6 ne sont que des exemples de réalisation non limitatifs de l'invention. Ainsi les intégrateurs 11 et 14 pourraient être placés en amont du module de calcul 10. Les conversions analogiques-numériques pourraient intervenir à un stade différent de la chaîne de traitement. Il est également possible de limiter les comparateurs à 4 selon les seuls axes Est-Ouest et Nord-Sud. Les directions de mesure des accélérations peuvent être différentes de celles choisies. Le temps T0 peut être choisi égal à la moitié du temps pendant lequel le pied d'un piéton qui court reste au sol. REVENDICATIONS 1. Dispositif de navigation du type comportant un ensemble de capteurs d'un vecteur accélération (3), un ensemble de capteurs de direction (2) et des moyens de calcul (1) effectuant à partir des données reçues des ensembles de capteurs au moyen d'intégrateurs d'accélération (11) donnant des valeurs de vitesses et d'intégrateurs de vitesse (14) donnant des valeurs de distance des calculs de coordonnées géographiques, caractérisé en ce qu'il comporte des comparateurs (12) comportant deux entrées, une première partie de ces comparateurs recevant sur l'une de leurs entrées les valeurs de l'accélération selon au moins deux axes et sur l'autre des valeurs de références 6, a une seconde partie de ces comparateurs recevant sur l'une de leurs entrées les valeurs de la vitesse selon les mêmes axes et sur l'autre entrée des valeurs de référence 6, v chacun de ces comparateurs ne délivrant un signal positif que si les valeurs des grandeurs d'entrée sont inférieures à la valeur de référence (ga v) reçue sur l'autre entrée, un ensemble de portes "et" (15) recevant les signaux de chacun des comparateurs et ne délivrant un signal positif que si tous les signaux reçus des comparateurs sont positifs, le signal positif de l'ensemble de portes "et" provoquant la remise à zéro des intégrateurs d'accélération (11) et des indications de l'ensemble de capteurs du vecteur accélération (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est logé dans un boîtier (5). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le boîtier 5 est logé dans le talon d'une chaussure (22). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de capteurs d'accélérations (3) est constitué de trois accéléromètres 3î > 32 33 captant l'accélération selon des axes formant un trièdre orthonormé. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ensemble de capteurs de direction est constitué par un capteur de vertical (9) et un capteur de nord magnétique (8). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur de verticale est un gyromètre. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur de verticale est un accéléromètre de vertical. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un module de calcul 17 recevant les valeurs captées par les accéléromètres (3), la valeur en provenance du gyromètre (9) et effectuant une correction de l'indication du gyromètre (9) si un signal positif est reçu de l'ensemble de porte et 15. 9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ensemble de capteurs de direction (2) est constitué de trois magnétomètres 41, 42 43. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un module de visualisation et d'introduction de données (7).