Brevet FR2725064A1 — publié le 19960329

La présente invention concerne un système de corrélation cartographique pour un système d'aide à la navigation d'un véhicule automobile. Tous les systèmes de navigation embarqués à bord des véhicules automobiles peuvent être décomposés en trois fonctions principales, à savoir une fonction d'entrée de destination et éventuellement de la position courante du véhicule en cas de relocalisation, une fonction de calcul d'itinéraire et une fonction de localisation et de corrélation cartographique. La fonction de corrélation cartographique est remplie par un système qui détermine la position du véhicule par comparaison entre la trajectoire suivie par le véhicule, mesurée à l'aide de capteurs, et les élé- ments d'un réseau routier sur lequel se déplace le véhicule, mémorisé sous forme numérique dans une base de données cartographiques embarquée. Au niveau du guidage, ce système représente le chaînon entre le monde réel et la représentation informatique de celui-ci. Généralement la trajectoire du véhicule est établie à l'aide de capteurs endogènes (capteur de direction, capteur de roue, odomètre, magnétométre, etc..) et la position ainsi estimée est relative à la position initiale du véhicule. Après comparaison entre la base de données et cette position relative, il devient possible d'en déduire les coordonnées absolues du véhicule. Ainsi, la reconnaissance d'une signature de trajectoire par rapport à une cartographie mémorisée, peut dans certains cas, permettre une initialisation et une recalibration de la fonction de localisation à l'estime. On peut également noter qu'il existe dans l'état de la technique, des moyens de localisation absolue tels que ceux qui peuvent être utilisés en combinaison avec des balises terrestres ou des satellites de type GPS. La trajectoire peut être estimée à partir d'une succession de points sous forme de coordonnées polaires ou de coordonnées cartésiennes. Une fonction de corrélation cherche à fournir, à partir d'un point estimé, le point le plus approchant et cohérent avec les éléments de sa base de données. Elle propose donc un nombre fini de solutions (une seule dans le cas idéal où il n'existe aucune ambi guïté), en faisant des hypothèses de proximité et de suivi de route. Deux cas distincts peuvent être envisagés dans une telle recherche 1) la fonction de corrélation peut rechercher une solution possible sans connaissance des hypothèses précédentes, c'est à dire que la seule connaissance utile est constituée par la connaissance de la trajectoire et que les hypothèses antérieures les plus probables ne sont pas prises en compte; et 2) la fonction de corrélation peut également suivre une ou plusieurs voies dans un ensemble connu et les hypothèses précédentes participent donc à l'élaboration de l'hypothèse la plus probable. Ces deux principes vont généralement cohabiter dans un système de corrélation cartographique car il n'est pas possible de s'affranchir du premier aspect pour des raisons de numérisation. La base de données embarquée ne peut en effet jamais correspondre à la réalité du fait des aménagements permanents du réseau routier ou tout simplement de l'impossibilité de numériser tous les accès possibles à un véhicule (garages individuels, parkings, allées privées). De même, lors de l'évolution du véhicule, l'imprécision de la localisation peut aboutir dans cer tains cas à des aberrations au niveau des hypothèses suivies, ce qui signifie qu'il devient alors nécessaire de repartir d'hypothèses complètement vierges. C'est par exemple le cas lors d'une perte de suivi d'une route supposée juste jusqu'alors, ou tout simplement au démarrage du véhicule. Le système de localisation délivre généralement une position à l'estime qui correspond à sa position réelle dans la cartographie embarquée, à la dérive près du système. Cela signifie pratiquement que la voie réelle sur laquelle circule le véhicule se trouve dans une certaine zone de tolérance autour de la position estimée. Il convient alors de rechercher l'ensemble des voies qui passent à proximité de celle-ci par rapport à celles mémorisées dans la base de données associée pour déterminer la plus probable. Une fois l'ensemble des voies réduit aux éléments cohérents, il devient alors possible de suivre de façon distincte chaque possibilité avec des moyens plus précis. Il apparaît donc dès à présent indispensable de disposer d'algorithmes efficaces et optimisés en tempos, pour répondre à cette première sélection qui nécessite une très forte manipulation de données et de calculs. Les techniques classiques pour calculer la distance du point de localisation estimé par rapport à des droites de référence, que représentent les informations de la base de données, consistent à faire des projections de ce point sur les droites possibles. Or, de telles techniques, mathématiques ou trigonométriques, sont très coûteuses en temps de calcul pour la plupart des micro-ordinateurs. On peut illustrer ces méthodes à l'aide d'un exemple de projection orthogonale d'un point sur une droite. Dans une fonction de corrélation cartographique, un point M de coordonnées X,Y correspondrait à la position du véhicule dans le système de repère de référence de la numérisation cartographique et la droite M1, M2 représenterait un segment de droite de la base de données. Soit e l'angle formé par la droite M1, M2 avec l'horizontale, e peut être connu en fonction des coordonnées de M1 et M2 par la relation e = Arctan (y2-yl)/(x2-xl) Après calcul, la distance d = (M,M') a pour valeur d = [x-xl - ((x2-xl)/(y2-yl)).(y-yl)J.sin(6) On constate alors le coût en temps qu'un tel calcul peut entraîner pour un microprocesseur. Répété un grand nombre de fois, il peut constituer une limitation au niveau informatique et susciter par conséquent le choix d'un microprocesseur surdimensionné pour la fonction de corrélation cartographique. Par ailleurs, ces techniques peuvent se révéler beaucoup trop précises par rapport à l'aspect empirique de l'établissement des critères d'estimation des algorithmes de corrélation. Pour être conscient du caractère non rigoureux de ces choix, il suffit par exemple de répondre à la question : " à partir de quelle distance peut-on considérer qu'un point de position estimé n'est probablement plus sur un segment d'arc matérialisant une voie réelle ?". Cette question peut inspirer un grand nombre de réponses qui sont de plus dépendantes de l'échelle de numérisation et même de la densité de cette dernière. On comprend facilement qu'un suivi de trajectoire dans une base de données numérisées va entraîner un nombre important d'itérations et de calculs pour le suivi de plusieurs hypothèses. De plus, ce traitement doit s'effectuer en temps réel. Les techniques mathématiques ou trigonométriques utilisées habituellement pour le calcul de distance séparant la trajectoire de la cartographie de référence peuvent être un obstacle au bon déroulement de la fonction, selon le choix du processeur du système. Un processeur performant par certains aspects, mais ne disposant pas d'une puissance de calcul suffisante pour le calcul sur les nombres réels, serait inévitablement pénalisé. Or, l'important dans ces algorithmes est souvent d'établir l'appartenance du point de localisation à un ensemble d'éléments correspondant à une zone de tolérance donnée. Ainsi, il est souvent suffisant dans un premier temps, de savoir qu'il existe un nombre de N droites dont la distance par rapport au point de localisation est inférieur à X mètres, quitte à affiner le calcul final à l'aide de fonctions plus puissantes. Cette recherche d'algorithmes a poussé à développer des solutions dérivées de techniques graphiques, qui font l'objet de la présente demande. En effet, celles-ci sont basées sur l'utilisation des instructions les plus rapides des microprocesseurs (généralement l'addition et la soustraction qui font partie des instructions de base de tout microprocesseur) afin d'optimiser leur temps de déroulement et elles représentent une matérialisation de notions géométriques (droite, cercle ...) sur un écran de définition donné et donc composé d'un ensemble fini de points (pixels). A cet effet, l'invention a pour objet un système de corrélation cartographique pour un système d'aide à la navigation d'un véhicule automobile, du type comportant des moyens de détermination de la position estimee du véhicule dans un système de repère donné, des moyens de stockage d'une base de données cartographiques, représentatives du réseau routier sur lequel se déplace le véhicule, et dont les éléments sont établis dans le système de repère donné, et des moyens de corrélation cartographique, caractérisé en ce que les moyens de corrélation cartogra phique comprennent des moyens de corrélation graphique adaptés pour délimiter autour de la position estimée du véhicule, une zone de tolérance de position et déterminer quels sont les éléments du réseau routier de la base de données, dont au moins une portion se situe dans cette zone. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.l représente un schéma synoptique d'un système d'aide à la navigation d'un véhicule automobile; - la Fig.2 illustre le fonctionnement d'un système de corrélation cartographique selon l'invention; et - la Fig.3 illustre une évolution du fonctionnement d'un système de corrélation cartographique selon l'invention. On reconnaît sur la figure 1, le schéma synoptique d'un système d'aide à la navigation d'un véhicule automobile, qui comporte des moyens de détermination de la position estimée du véhicule dans un système de repère donné, des moyens de stockage d'une base de données cartographiques, représentatives du réseau routier sur lequel se déplace le véhicule et dont les éléments sont établis dans le système de repère donné et un calculateur d'aide à la navigation dans lequel est intégré notamment un système de corrélation. Sur cette figure, le calculateur est désigné par la référence générale 1 et est relié à des moyens de mémorisation 2 adaptés pour stocker par exemple la base de données cartographiques, à différents capteurs désignés de façon générale par la référence 3 permettant au calculateur de déterminer la position estimée du véhicule, à des moyens d'entrée de données 4 par un utilisateur permettant par exemple à celui-ci d'entrer dans le calculateur, les coordonnées de destination et éventuellement de position du véhicule et à des moyens d'affichage d'informations constitués par tout afficheur approprié, et désignés par la référence générale 5. La structure de ces systèmes étant bien connue dans l'état de la technique, on ne la décrira pas plus en detail par la suite. Le système de corrélation cartographique selon la présente invention reste valable pour un système de localisation quelconque alors que les techniques de suivi de route se différencieront totalement selon le choix de l'exploitation de coordonnées cartésiennes ou polaires. L'idée de base de ce système est de délaisser la notion arbitraire de droite, difficile à manipuler efficacement en informatique, pour utiliser une notion d'ensemble fini de points qui peuvent matérialiser une droite. Comme cela sera décrit plus en détail par la suite, cette approche est suffisante pour la fonction de corrélation cartographique et permet l'utilisation d'algorithmes et de moyens de corrélation graphiques. Ainsi, une droite constituée du point de vue mathématique par une infinité de points, est représentée sur une surface, par un nombre fini de points contigus, de la même façon qu'elle peut être matérialisée sur un écran d'un afficheur quelconque à l'aide d'un ensemble de points lumineux, également appelés pixels, comme cela est illustré sur la figure 2. En effet, si l'on considère l'ensemble des pixels comme une grille, ou comme une matrice à deux dimensions contenant des éléments de type binaire, une droite serait affichée comme une succession de points contigus activés dans la grille. La trajectoire d'un véhicule se déplaçant sur un réseau routier peut être connue par ses coordonnées cartésiennes dans le système d'axe de numérisation. Un réseau pouvant être dense, on imagine facilement que plusieurs voies d'un même secteur du réseau peuvent être considérées comme plausibles à tout moment. En pratique, cela signifie que la fonction de corrélation doit être en mesure de trier les éléments symbolisant les voies dans sa base de données, de façon à les affecter d'une classe de tolérance. Celle-ci reflétera l'éloignement de la position du véhicule par rapport à un segment décrit dans la base de données et représentant une voie du monde réel. Du fait de la précision du système, il est plus important pour le suivi des hypothèses, de savoir que tels éléments sont situés entre 10 et 20 mètres par exemple de la position estimée du véhicule, que de connaître précisément, les distances de séparation. Ce suivi entraîne une manipulation importante d'éléments cartographiques et c'est à ce niveau qu'il convient d'éviter l'usage de fonctions trigonométriques. Si l'on cherche à déterminer qu'elles sont les voies proches du véhicule, on peut considérer que le point de localisation estimé du véhicule ne peut observer le monde qui l'entoure qu'à travers une grille de taille cohérente. Autrement dit, si l'on considère que la tolérance maximale du système correspond à une distance Amas, au-delà de laquelle on ne peut plus supposer que le véhicule circule sur une voie, tous les arcs par exemple symbolisant les voies réelles, n'apparaissant pas dans une fenêtre Z de tolérance de position, sont exclues des hypothèses de corrélation. Par analogie avec un écran, un arc D apparaît dans une fenêtre de tolérance Dmax lorsqu'un élément (équivalent du pixel pour l'écran) de la zone avoisinant le point central (représentant le point de localisation) est activé. Chaque élément (case) de la grille abstraite ainsi constituée correspond à une surface élémentaire réelle dépendant de l'échelle considérée. Par exemple, dans le cas général où les coordonnées à l'intérieur du système sont données en mètres et que l'on ne désire pas compresser cette échelle, la distance Dmax sera exprimée en mètres et une surface élémentaire représentera 1 m2. Tout arc représentant une voie numérisée, caractérisé par les coordonnées de ses points extrêmes, peut donc être traité comme une droite virtuelle. Il suffit alors de tracer fictivement, en utilisant des algorithmes graphiques de tracé de droite, la droite représentant la voie possible. Si celle-ci traverse la zone autorisée, c'est bien qu'elle appartient à la zone de tolérance. Si l'on nomme Xo et Yo les coordonnées du point de localisation dans le repère du numérisation, on sait qu'une droite D traverse la zone de tolérance Z si un ou plusieurs points la constituant ont des coordonnées comprises entre Xo-Dmax et Xo+Dmax pour abscisse et Yo Dmax et Yo+Dmax pour ordonnée. Un calcul coûteux en temps peut être ainsi évité en s'appuyant sur cette notion de droite virtuelle puisqu'elle supprime tout calcul trigonométrique ou même en nombre réel (voir à ce sujet par exemple l'algorithme de Bresenham). La mise en oeuvre de ces moyens de corrélation graphique permet ainsi de résoudre les différents problemes mentionnés précédemment. Il est possible d'améliorer encore les performances de la solution proposée en arrêtant le traçage fictif de la droite dès qu'un point de la droite est décelé comme appartenant à la zone de tolérance. Bien qu'une possibilité d'algorithme graphique à des fins de corrélation s'appuyant sur l'exploitation des propriétés de tracé de droite ait été mentionnée cidessus, il est également envisageable d'utiliser d'autres algorithmes tels que ceux de tracé de rectangle, de cercle, de remplissage de zone, etc.. pour satisfaire diverses fonctions dans ce domaine. Pour réaliser la corrélation envisagée, les moyens de corrélation comportent alors des moyens de corrélation graphique adaptés pour délimiter autour de la position estimée du véhicule, une zone de tolérance de position et pour déterminer quels sont les éléments du réseau routier de la base de données, dont au moins une portion se situe dans cette zone. Une telle solution permet d'envisager des fonctions évoluées sur des microprocesseurs de puissance moyenne. Ainsi, il devient possible d'envisager des fonctions de reconnaissance de forme suffisante dans le cas de la corrélation cartographique. En effet, une mémorisation de la trajectoire du véhicule dans les moyens de stockage 2, par un échantillonnage de ses positions successives comme cela est illustré sur la figure 3, peut permettre dans certains cas, de lever certains doutes entre plusieurs hypothèses suivies parallèlement par le système. Un virage par exemple, peut avoir une signature en fonction de son angle d'ouverture et il peut être intéressant de rechercher l'ensemble des droites numérisées qui passent au plus près des points de localisation échantillonnés. L'exemple illustré sur cette figure 3, montre un suivi d'hypothèses à partir d'un échantillon de points de localisation à l'estime. En poussant plus loin cette propriété, on peut envisager de retrouver le cap réel d'un véhicule, sans information de cap géographique ou magnétique à bord de celui-ci, en calquant la trajectoire, après de multiples rotations entre O et 360 , jusqu'à l'obtention d'une corrélation satisfaisante avec des informations contenues dans la base de données. Cette rotation peut être réalise par les moyens de corrélation. Pour illustrer cette idée, on peut par exemple prendre comme base la demande de brevet français NO 93 07 420 déposée par les Demanderesses et qui décrit un dispositif de détermination d'un cap relatif suivi par un véhicule automobile. Le dispositif décrit dans ce document permet d'estimer une trajectoire à partir d'un capteur de tour de volant et d'un odomètre. Les positions délivrées par ce système sont relatives et donc dépendantes des positions précédentes et des conditions initiales. Une fois correctement initialisé, ce système est tout à fait exploitable. Le problème vient uniquement du fait que l'on doit b l'origine être en mesure de l'initialiser avec un cap de référence connu. On peut contourner ce problème lorsque l'on dispose d'un système de navigation possédant une cartographie numérique embarquée. Si la mémorisation des derniers points de la trajectoire relatifs à un point d'origine supposé juste, a été effectuée, il devient possible de comparer les voies probables apparaissant dans les fenêtres de tolérance liées aux échantillons, en associant aux principes énoncés ci-dessus une rotation de la trajectoire afin d'effectuer une recherche sur le cap du véhicule par rapport à la cartographie. Une trajectoire significative peut ainsi être repérée facilement. Enfin, de même que la recherche d'une exploitation poussée des algorithmes graphiques a donné naissance à des composants électroniques spécifiques intégrant ces algorithmes de manière câblée, on peut imaginer des processeurs complètement dédiés à ce type d'applications. Ceux-ci pourraient en effet intégrer à la fois des algo rithmes tels que ceux décrits dans la présente demande, mais également diverses fonctions spécialement utilisées pour des applications de corrélation cartographique ou de reconnaissance de forme. Dans les futurs systèmes de guidage, la fonction de corrélation cartographique, associée à la fonction d'estimation de position, constituera un facteur important de la qualité des systèmes. Plus la fonction de localisation à l'estime sera performante, plus le travail de corrélation sera réduit. La performance et le coût d'un tel système semblent donc liés à un équilibre judicieux entre ces deux fonctions et il est donc important de trouver dès à présent des solutions adaptées à toutes les gammes de microprocesseurs sans réserver cette fonction uniquement aux plus puissants. Le système selon la présente invention répond b la nécessité de disposer d'algorithmes rapides pour satisfaire la fonction de corrélation cartographique qui constitue une tâche permanente et complexe dans un système de navigation. Par une perception particulière d'un niveau d'abstraction du monde réel, elle permet de mettre en oeuvre des solutions informatiques adaptées à tout maté- riel et permet de développer des algorithmes jusqu'alors réservés aux gros systèmes. REVENDICATIONS 1. Système de corrélation cartographique pour un système d'aide à la navigation d'un véhicule automobile, du type comportant des moyens (1,3) de détermination de la position estimée du véhicule dans un système de repère donné, des moyens (2) de stockage d'une base de données cartographiques, représentatives du réseau routier sur lequel se déplace le véhicule, et dont les éléments sont établis dans le système de repère donné, et des moyens (1) de corrélation cartographique, caractérisé en ce que les moyens de corrélation cartographique (1) comprennent des moyens de corrélation graphique adaptés pour délimiter autour de la position estimée du véhicule, une zone de tolérance de position (Z) et déterminer quels sont les éléments (D) du réseau routier de la base de données, dont au moins une portion se situe dans cette zone. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de corrélation (1) sont associés * des moyens (2) de stockage de la trajectoire du véhicule à partir de positions successives et échantillonnées de celui-ci en vue d'en faciliter la reconnaissance. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de corrélation (1) sont adaptés pour faire tourner la trajectoire du véhicule jusqu'à l'obtention d'une corrélation satisfaisante afin de déterminer le cap suivi par le véhicule.