Brevet FR2709849A1 — publié le 19950317

Procédé de navigation à l'aide d'une carte vectorisée de terrain La présente invention concerne un procédé de navigation à bord d'un véhicule, dans lequel, connaissant la position de départ d'un véhicule, on calcule des données de position du véhicule à partir de valeurs fournies par des capteurs de navigation embarqués à bord du véhicule, on compare ces données calculées à une carte électronique vectorisée d'une zone géographique dans laquelle évolue le véhicule, pour sélectionner un tronçon de voie comportant la position la plus probable du véhicule. La navigation, et notamment la navigation terrestre, a pour but de fournir une indication de la position d'un véhicule. Comme celui-ci se déplace généralement sur un ensemble de voies de circulation, l'indication de position peut se référer à une carte de cet ensemble, ce qui permet au conducteur du véhicule de disposer d'une information visuelle très concrète lui permettant de prendre les décisions de changement de direction aux points caractéristiques de cet ensemble. A bord du véhicule, des résultats de mesures fournis par des capteurs, par exemple de déplacement, tels qu'un odomètre et un magnétomètre fournissant la distance parcourue et le cap, permettent, connaissant la position de départ, de déterminer par calcul les positions suivantes. Cependant, la position calculée se trouve souvent hors d'un tronçon de voie, car elle est entachée des erreurs dues à la précision limitée des capteurs, d'autant plus que la carte, informatisée, est aussi de précision -2limitée. On peut alors déduire, des éléments de calcul, une nouvelle position plus proche de la position réelle du véhicule, plus cohérente avec la carte vectorisée. Quatre méthodes sont connues pour tenter d'y parvenir. Selon la première méthode, d"'ajustement cartographique" (map matching) statique, on sélectionne le tronçon de voie le plus proche de la position calculée ou on procède en tenant compte du comportement du conducteur. Cette méthode peut aboutir à des sélections manifestement incorrectes, se traduisant par des "sauts" entre tronçons voisins. Dans la deuxième méthode, de gestion des hypothèses, on corrèle chacun des trajets possibles avec les mesures des capteurs et on élimine progressivement les trajets associés à une probabilité devenue trop faible après la prise en compte des dernières mesures. Cette méthode peut conduire à une croissance incontrôlée du temps de calcul, ou explosion combinatoire des divers événements relatifs au trajet du véhicule, qui pourrait bloquer le calculateur concerné. Dans la troisième méthode, qui est une méthode par corrélation de trajectoire ou par corrélation de profil, on compare la trajectoire mémorisée du véhicule, ou sa représentation synthétique, à la topologie du réseau de voies. Il faut cependant que la trajectoire soit suffisamment caractérisée, c'est-à-dire qu'elle comporte des changements de direction ou des points caractéristiques détectables par les capteurs. De plus, cette méthode est coûteuse en temps de calcul. Enfin, dans la quatrième méthode, qui est une méthode par "ajustement cartographique dynamique", on prend en compte, en complément des informations cartographiques, -3- un modèle indiquant les performances dynamiques maximales du véhicule, telles qu'accélération et vitesse de changement de cap, et la précision des capteurs pour rejeter comme improbables certaines des positions probables. Cette dernière méthode n'apporte cependant que peu de restrictions dans la sélection de la position réelle, si bien que les ambiguités entre voies voisines subsistent souvent. La présente invention vise à améliorer cette dernière méthode. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type mentionné ci-dessus, caractérisé par le fait que, pour la comparaison, on complète les données de position calculées par des données représentatives d'une aire d'incertitude entourant la position calculée, on recherche au moins un tronçon de voie situé à l'intérieur de l'aire d'incertitude et, s'il est unique, on transforme l'aire d'incertitude en une aire de recalage inscrite dans l'aire et centrée sur ledit tronçon. Ainsi, la position fournie correspond à une position probable. En cas d'absence de tronçon dans l'aire d'incertitude, due par exemple à un défaut de mise à jour de la carte, on peut indiquer la position de l'aire d'incertitude tout en évitant de sélectionner le tronçon de voie le plus proche de la position calculée mais manifestement non concerné car situé hors de l'aire d'incertitude. A l'inverse, en cas de pluralité de tronçons, on peut choisir le tronçon estimé être le plus probable tout en -4 - indiquant qu'il subsiste provisoirement une ambiguïté qui sera levée ultérieurement lorsque le ou les tronçons non concernés "sortiront" de l'aire d'incertitude en mouvement. Avantageusement, en cas d'absence ou de pluralité de tronçons dans l'aire d'incertitude, on poursuit une navigation à l'estime. Dans ce cas, l'aire d'incertitude continue à croître jusqu'au moment o elle est à nouveau transformée et réduite lorsque disparaît l'ambiguïté. Avantageusement encore, en cas de pluralité de tronçons dans l'aire d'incertitude, on la transforme en éliminant des tronçons correspondant à des caps de navigation incompatibles avec les valeurs fournies par les capteurs. On élimine ainsi la plupart des ambiguïtés. Avantageusement toujours, on détermine l'aire d'incertitude par un filtrage de Kalman des valeurs fournies par les capteurs. Le filtrage de Kalman est exposé dans les ouvrages "Navigation inertielle optimale et filtrage statistique", P. FAURRE et autres, Ed. DUNOD, PARIS et "Le filtrage et ses applications", Labarrère, Ed. CEPADUES, TOULOUSE, FRANCE. Ainsi, la précision apparente des capteurs croit progressivement, ce qui permet de déterminer des corrections de plus en plus fines. La croissance de l'aire d'incertitude entre deux de ses transformations, ou recalages, est ainsi réduite. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante du mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un diagramme illustrant les étapes du procédé, - la figure 2 est un diagramme représentant schématiquement les éléments pour la mise en oeuvre du procédé et - la figure 3 représente une carte d'un réseau de voies de communication servant à repérer une voiture utilisant le procédé de l'invention. Le procédé de l'invention est appliqué à la navigation, sur un ensemble routier, d'une voiture comportant ici un capteur de distance (par exemple un odomètre) 1 et un ensemble capteur 3 fournissant la direction et la position et constitué, en l'espèce, d'un capteur de direction (par exemple un magnétomètre) et d'un capteur de position (par exemple un GPS), représentés sur les figures 1 et 2, fournissant des signaux respectifs 2 et 4 indiquant notamment la distance parcourue et le cap de la voiture. Les signaux 2 et 4 sont appliqués à un filtre de Kalman 7 relié en entrée à un clavier 5 permettant au conducteur de la voiture de lui fournir un signal 6 de position initiale de départ de la voiture (étape 40). Le filtre de Kalman 7 calcule cycliquement, à une étape 41, des données 8 définissant une nouvelle position calculée 31 (figure 3) de la voiture en calculant, d'un cycle à l'autre, un vecteur déplacement 22 correspondant au cumul de déplacements élémentaires, c'est-à-dire de -6- segments de droites, fournis par l'odomètre 1 et associés au cap correspondant, vecteur qui part de la position calculée précédente 21 pour aboutir à la nouvelle position calculée 31. Comme cela est expliqué plus loin, le vecteur déplacement part en fait parfois (32) d'une position, déterminée à partir de la position calculée après qu'elle ait été recalée en fonction des mesures des capteurs et qui est donc plus proche de la position réelle. Ainsi, à une étape 42, le filtre de Kalman 7 est en mesure de calculer, comme expliqué plus loin, des données 8A significatives d'une aire d'incertitude 33, et qui est ici représentée par une ellipse, entourant la nouvelle position calculée 31. Cette aire correspond à des positions possibles, compte tenu des erreurs de position détectées précédemment, mais de probabilité a priori moindre que celle de la nouvelle position calculée 31 tout en étant cependant au-dessus d'un seuil de probabilité déterminé. Ainsi, de même qu'une aire d'incertitude 23 est associée à la position précédente 21, l'aire 33 est associée à la position 31 avant recalage, et l'aire 34 est associée à la position 35. Dans cet exemple, la voiture a eu un parcours rectiligne nord (flèche ND) - sud avant de tourner vers l'Ouest à un rond-point 20 (flèches avec pointillés), si bien que la zone d'incertitude 13a, 13b et 13c des positions antérieures s'est accrue progressivement dans la direction nord-sud (incertitude sur la mesure de l'odomètre 1) alors que l'incertitude est-ouest est restée quasi-constante grâce à la connaissance du fait que la voiture est sur la route. Les données 8 et 8A fournissant la nouvelle position calculée 31 et l'aire d'incertitude 33 sont appliquées 7- en entrée à des moyens comparateurs 10 d'une carte électronique vectorisée 9 comportant un descripteur des voies de l'ensemble routier. Après une étape conditionnelle 43 expliquée plus loin, les moyens comparateurs 10 de la carte 9 déterminent alors, à une étape 44, la position de N (N entier positif) tronçons de voie situés à l'intérieur de l'aire d'incertitude 33 et qui sont donc des candidats potentiels pour comporter la position réelle 35a de la voiture. La position calculée est en effet, en général, comme ici la position calculée 31, hors de toute voie et, même si cela était, cette voie pourrait ne pas être la bonne. Après une étape conditionnelle 45 expliquée plus loin, et dans le cas d'unicité de tronçon, vérifiée à une étape 46 (N = 1), dans l'aire d'incertitude (33), on détermine que la position réelle 35a est sur ce tronçon (36). Un signal 11 représentatif de la position déduite est appliqué à un afficheur 12 présentant la région concernée de la carte 9, pour marquer, à une étape 47, la position déduite 35 sur l'image de la carte 9. Le signal 11 est aussi appliqué en retour à une entrée du _5 filtre de Kalman 7. Le filtre de Kalman 7 restreint alors, à l'étape de recalage 43, l'aire d'incertitude 33 à une aire d'incertitude, dite alors de recalage, 34, de forme aplatie définie par le tronçon 36 sélectionné ci- dessus, augmenté de marges latérales pour tenir compte de la précision, connue, de la carte 9. L'incertitude initiale, à la mise en oeuvre du procédé, est établie a priori d'après la distance de la position ponctuelle considérée à la position réelle. - 8- Lorsque l'aire d'incertitude 33 est restreinte à l'aire 34, le filtre de Kalman 7 recale alors la position calculée 31 sur la position (35) située sur le tronçon sélectionné 36 et dotée de la probabilité a priori la plus élevée. Le nouveau vecteur déplacement 32 est alors recalé et part, comme indiqué plus haut, de la position déduite 35 et non de la position calculée 31, alors manifestement incorrecte. Par ailleurs, le filtre de Kalman 7 effectue un calcul estimant un modèle d'erreurs et donc les erreurs des capteurs 1 et 3, c'est-à-dire que, connaissant la valeur du recalage de position (31, 35) effectué, il déduit, pour chaque capteur 1, 3, une loi de correction qui fournit des valeurs de déplacement et de cap aboutissant à la position la plus probable 35 et qui sera réutilisée par la suite. Comme, pour un seul recalage, plusieurs couples de corrections de déplacement et de cap conviennent en général et que d'autres variables comportent aussi des erreurs, on comprendra que la loi de correction de chaque capteur n'est établie que progressivement, par prise en compte de l'ensemble des recalages passés par le filtre de Kalman. Dans le cas o il est déterminé, à une étape 48, qu'aucun tronçon ne se trouve dans l'aire d'incertitude 33, il est prévu, dans cet exemple, de marquer sur l'afficheur 12 toute l'aire d'incertitude 33 ainsi que la position la plus probable et de poursuivre une navigation à l'estime (étape 49 rebouclée à l'étape 41) en attendant un recalage ultérieur de position. On peut aussi prévoir d'élargir l'étendue de l'aire d'incertitude 33 en abaissant le seuil de probabilité a priori, jusqu'à englober un tronçon et d'afficher la probabilité associée. -9 - Plusieurs tronçons peuvent se trouver dans l'aire d'incertitude (N > 1 à l'étape 48), ce qui est le cas pour l'aire 23. Bien que l'on puisse choisir une position à afficher 25a sur le tronçon le plus proche 27, au risque de se tromper, il est prévu ici de fournir, aux moyens comparateurs de la carte 9, la variable d'état 11 du filtre de Kalman 7 estimant le cap de la voiture. Ce cap (11), qui peut aussi être déduit des résultats antérieurs fournis à l'étape 44, est comparé, à l'étape 45, à des attributs des tronçons candidats de la carte vectorisée, c'est-à-dire la direction du tronçon et, le cas échéant, son sens unique de circulation. De plus, les moyens comparateurs 10 vérifient qu'il y a connexité, c'est-à-dire continuité par des voies, entre la position réelle précédente (13c) et chacun de ces tronçons candidats 26, 27. Les tronçons ayant des attributs ne satisfaisant pas à la fois aux critères liés au cap et à la connexité sont éliminés, ce qui ramène souvent à N = 1 le nombre de tronçons candidats (étape 46). En cas de persistance d'une ambiguité, comme dans cet exemple pour l'aire 23, l'aire d'incertitude 23 est, ici, affichée (flèche en pointillés vers l'afficheur 12 de la figure 1) ainsi que la position 25a sur le tronçon 27 le plus probable. On voit que si l'aire d'incertitude 23 occupait la position 23a, le cap d'un tronçon 27a en aval du tronçon 27 permettrait de lever l'ambiguïté en rejetant le choix fait et en choisissant un tronçon 26a en aval du tronçon 26. Dans le cas d'une aire d'incertitude encore plus importante, les moyens comparateurs 10 fournissent une sortie informatique synthétisant la forme du chemin -10- parcouru et les positions relatives de changements significatifs de direction. Ces sorties informatiques peuvent permettre de déduire une position absolue du véhicule grâce à l'utilisation d'une méthode par corrélation de trajectoire évoquée plus haut. Afin de ne pas prendre en compte les modifications de forme et position des carrefours, comme le rond-point , ou l'incertitude liée au fait que les virages sont "pris" de façon serrée ou lâche, le système décrit n'effectue pas de recalage aux endroits, tels les carrefours, o le tracé de la voie peut changer rapidement. Pour ce faire, la variable d'état de cap 11 n'autorise la comparaison avec la carte 9 que lorsque la voiture a suivi un cap sensiblement constant sur une distance déterminée, fournie sous forme d'une autre variable d'état (non représentée) issue du filtre de Kalman 7 à partir du signal 2 de l'odomètre 1. On évite ainsi d'interpréter des modifications de longueur de voies liées à l'aménagement d'un rond- point (20). Un carrefour peut alors être défini par extrapolation des voies, de directions bien définies, y aboutissant. Bien que le présent exemple porte sur une voiture circulant sur un ensemble routier, on comprendra que le procédé de l'invention peut être appliqué à tout véhicule circulant sur des voies de circulation terrestres, aériennes ou maritimes telles que rivières ou chenaux de navigation balisés en mer, pouvant être repérées afin que le véhicule les suive. En cas de navigation sur des voies maritimes, peut être en outre utilisé un capteur de vitesse relative (loch). Par ailleurs, si l'on dispose de moyens de calcul suffisamment puissants dans les moyens comparateurs 10, on peut, en cas de pluralité de troncons de voie dans -11- l'aire d'incertitude, prévoir d'appliquer le procédé à chacun des tronçons comme s'il était unique, et d'éliminer ensuite progressivement les tronçons correspondant à des données de navigation incompatibles avec les valeurs 2, 4 fournies par les capteurs 1, 3. On peut ainsi "suivre", par le calcul, un nombre limité de trajets potentiels et les éliminer lorsque la probabilité que le véhicule s'y trouve devient inférieure à un seuil déterminé. -12- REVENDICATIONS 1. Procédé de navigation à bord d'un véhicule, dans lequel, connaissant la position de départ (6) du véhicule, on calcule (31, 41) des données (8) de position du véhicule à partir de valeurs (2, 4) fournies par des capteurs de navigation (1, 3) embarqués à bord du véhicule, on compare ces données calculées (8) à une carte électronique vectorisée (9) d'une zone géographique dans laquelle évolue le véhicule, pour sélectionner un tronçon de voie (36) comportant la position la plus probable (35) du véhicule, caractérisé par le fait que, pour la comparaison, on complète (42) les données de position calculés (8) par des données (8A) représentatives d'une aire d'incertitude (23; 33) entourant la position calculée (31), on recherche (44) au moins un tronçon de voie (26, 27; 36) situé à l'intérieur de l'aire d'incertitude (23; 33) et, s'il est unique (36; 46), on transforme (43) l'aire d'incertitude en une aire de recalage (34) inscrite dans l'aire d'incertitude (23; 33) et calée sur ledit tronçon (36). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, en cas d'absence ou de pluralité (48) de tronçons (26, 27; 36) dans l'aire d'incertitude (23; 33), on poursuit une navigation à l'estime (49). 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel en cas de pluralité de tronçons de voie (26, 27, 27a; 36) dans l'aire d'incertitude (23; 33), on applique le procédé à chacun des tronçons (26, 27, 27a; 36) comme s'il était unique, et on élimine ensuite progressivement les tronçons (27a) correspondant à des données de navigation (11) incompatibles avec les valeurs (2, 4) fournies par les capteurs (1, 3). -13- 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, en cas de pluralité (48) de tronçons (26, 27; 36) dans l'aire d'incertitude (23; 33), on la transforme (45) en éliminant des tronçons (27a) correspondant à des données de navigation (11) incompatibles avec les valeurs (2, 4) fournies par les capteurs (1, 3). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on n'autorise la comparaison avec la carte (9) que lorsque le véhicule a suivi un paramètre de navigation (4; 11) sensiblement constant sur une distance déterminée. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel on détermine l'aire d'incertitude (23; 33) par un filtrage de Kalman (7) utilisant des valeurs (2, 4) fournies par les capteurs (1, 3). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel, suite au filtrage de Kalman, on en détermine des corrections systématiques de calibrage des capteurs (1,3).