Brevet FR2918745A1 — publié le 20090116

Dispositif d'assistance à la navigation d'une personne La présente invention concerne un dispositif d'assistance à la navigation d'une personne, aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur d'un bâtiment. Dans certains cas, il est nécessaire de guider une personne dans son déplacement à l'intérieur d'un bâtiment ou à l'extérieur. En particulier l'aide à la navigation des personnes aveugles dans les lieux publics devient impératif. Le problème technique peut être résolu en milieu extérieur par l'utilisation de signaux GPS. De nombreux systèmes de navigation existent dans le commerce, aussi bien pour équiper des automobiles que des randonneurs. A l'intérieur d'un bâtiment il n'est plus possible d'utiliser les signaux GPS. Les solutions actuelles ne sont pas satisfaisantes. Deux types de solutions existent. Les solutions d'un premier type sont basées sur l'utilisation de balises de localisation. Les autres solutions sont basées sur une reconnaissance des lieux. En ce qui concerne les systèmes à balises, il existe des solutions implantées à titre expérimental dans des lieux publics. Ces systèmes utilisent des bornes de localisation. En intégrant un grand nombre de balises de référence et en appliquant les méthodes connues de trilatération, de triangulation ou méthodes des hyperboles, on peut localiser un objet et ensuite proposer une navigation. Cependant ces méthodes exigent un équipement complémentaire très important des bâtiments et entraînent donc un coût d'installation et de maintenance qui pénalise ces systèmes. A titre d'exemple, une solution à base de balises RFID impose d'établir des bornes tous les cinq mètres dans les couloirs et les stations souterrains du métro, ce qui n'est pas envisageable financièrement. Dans le cas des systèmes basés sur la reconnaissance des lieux, différentes solutions existent, elles sont pour la plupart issues de la robotique. Certaines utilisent des centrales inertielles. Ces centrales incluent des capteurs de type accéléromètres, gyromètres. Par fusion de données entre ces capteurs, on peut reproduire l'orientation en trois dimensions de la centrale. Cependant pour les centrales inertielles destinées à une utilisation grand public , les mesures effectuées présentent une dérive temporelle importante rendant impossible une localisation absolue. D'autres solutions sont pratiquées dans le domaine de la vision. La fonction de localisation peut dans ces cas être assurée par les images d'une caméra par l'utilisation de techniques appelées SLAM selon l'expression anglo-saxonne Simultaneous Localization And Mapping . Cependant l'ensemble des méthodes basées sur la vision sont actuellement peu fiables et elles sont notamment sensibles à des variations dans la scène captée telles que par exemple les changements de luminosité, les objets déplacés ou encore les angles de vue différents. Elles nécessitent par ailleurs une grande quantité de calculs. De plus, il faut prévoir l'utilisation d'une caméra portée par la personne à localiser et à guider, ce qui nuit à la discrétion du dispositif. Enfin, d'autres solutions encore utilisent un laser. Une nappe de laser en deux dimensions permet de mesurer selon un angle d'environ 180 la distance par rapport aux obstacles. L'image obtenue est ensuite recalée par rapport au plan du bâtiment dans lequel se trouve l'objet ou la personne à localiser. Ce recalage permet de repositionner cet objet dans la scène. Ce principe, maintenant couramment utilisé dans l'industrie, est inadapté pour la présente application de localisation. En effet, la présence d'autres personnes, considérées par le laser comme des obstacles, perturbe la mesure et empêche la localisation. D'autre part, les systèmes de nappe laser ne sont pas encore suffisamment miniaturisés pour être facilement portés et ils ne sont pas discrets. Par ailleurs, ils sont d'un coût élevé. Un article de Y.Tadokoro, S.Takuno et Y.Shinoda Portable Traveling Navigation System for the Blind and its Application to Traveling Training System Proceedings of the First Joint BMES/EMBS Conference, Advancing Technoloy oct. 1999, Atlanta, page 589 décrit un système de navigation portable comprenant un calculateur avec en mémoire le trajet prévu pour une destination, des capteurs de mouvement et une IHM sonore. Le calculateur calcule la distance parcourue et la direction de mouvement, les compare avec le trajet prévu, et l'IHM donne des indications à l'utilisateur. Cependant la solution décrite dans cette publication ne permet pas de corriger les dérives du trajet calculé par rapport au trajet réel. Une demande de brevet WO 2005/080917 divulgue un système pour 35 déterminer le trajet suivi par un piéton. Ce système comprend trois capteurs inertiels attachés sur un utilisateur. Il nécessite une calibration pour chaque utilisateur. Un but de l'invention est de pallier les inconvénients précités, tout en permettant notamment d'éviter l'ajout d'équipements complémentaires à l'intérieur des bâtiments. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'assistance à la navigation d'une personne, équipant cette personne et comportant au moins : un calculateur comprenant en mémoire une carte numérisée du lieu io dans lequel le trajet de la personne est prévu entre un point de départ et un point d'arrivée, et un programme de navigation ; une interface homme-machine reliée au calculateur ; un ensemble de capteurs portés par la personne, relié au calculateur, les capteurs délivrant des informations sur les mouvements de la 15 personne ; le programme de navigation effectuant un traitement des signaux provenant des capteurs et de l'interface, et comprenant un système de navigation effectuant la fusion des données fournies par la carte numérisée et les informations issues des capteurs et de l'interface, puis calculant à partir de 20 ces données la localisation relative de la personne. Le programme calcule par exemple le chemin à parcourir par la personne sur le trajet en fonction de la localisation calculée et des informations issues de la carte numérisée, des capteurs et de l'interface, les indications pour parcourir le chemin étant fournies par les informations de sortie de l'interface. 25 Un capteur au moins est par exemple une centrale inertielle. Le calcul du chemin à parcourir est par exemple mis à jour en fonction d'objectifs intermédiaires du trajet atteints identifiés, ces objectifs intermédiaires étant repérés sur la carte numérisée. L'objectif atteint peut être identifié par un mouvement caractéristique de la 30 personne détecté par au moins un capteur. L'objectif atteint peut aussi être identifié par une information fournie à l'interface par la personne. Avantageusement, le dispositif met par exemple en oeuvre un processus itératif en fonction du renouvellement des objectifs intermédiaires à atteindre 35 tout au long du trajet, l'objectif à atteindre étant défini ; dans une première étape l'estimation du chemin ainsi que la correction éventuelle de la trajectoire sont calculés ; - dans l'étape suivante, si l'objectif est atteint un nouvel objectif à atteindre est défini, si l'objectif n'est pas atteint une estimation probabiliste de la position est effectuée puis un nouvel objectif à atteindre est défini. Dans le cas où l'objectif est perdu, une étape de localisation absolue est par exemple effectuée avant de définir un nouvel objectif à atteindre. Avantageusement, le calculateur comporte par exemple en mémoire un modèle physique de la personne, les informations de mouvements issus des capteurs étant comparées à ce modèle physique. L'interface utilise par exemple des signaux, d'entrées ou de sorties, sensoriels. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1, une illustration du principe d'utilisation d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 2, une présentation d'étapes itératives mises en oeuvre par un dispositif selon l'invention ; - la figure 3, une illustration d'un enchaînement possible des étapes précitées ; la figure 4, un mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention équipant un utilisateur ; - la figure 5, une présentation des principaux blocs fonctionnels possibles d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 illustre le principe d'utilisation d'un dispositif selon l'invention. Un utilisateur indique via une interface homme-machine, IHM, adaptée l'endroit où elle se trouve, son point de départ A, et son point d'arrivée B. Le point de départ A peut être entré par l'utilisateur dans un dispositif de navigation, soit donné ou confirmé par une borne d'identification radiofréquence, dite RFID, ou tout autre moyen de localisation absolue. Les couloirs 1 du métro sont un exemple d'utilisation possible de l'invention. L'utilisateur entre alors le point de départ A comme étant l'entrée de la station de métro dans laquelle il s'engage, cette entrée de station pouvant être confirmée par une borne RFID. L'utilisateur indique par ailleurs le point d'arrivée B, en l'occurrence la station de métro à laquelle il veut se rendre. Le logiciel de navigation calcule alors le chemin à suivre par l'utilisateur. Dans l'exemple de la figure 1, le logiciel de navigation commence par chercher la ligne de métro à emprunter et repère le quai sur lequel la personne doit se rendre. Puis il calcule le chemin à prendre par l'utilisateur. Le système possède une cartographie des lieux dans lesquels l'utilisateur va évoluer. L'IHM indique à l'utilisateur les directions à suivre et les points clés qu'il va rencontrer. Il indique par exemple qu'à 200 mètres du départ il y aura un escalier 2 et qu'en bas de l'escalier il faut prendre un virage à 90 à droite. Le système permet de suivre l'évolution de l'utilisateur par rapport à la cartographie afin de lui indiquer correctement les directions à suivre en fonction de l'endroit où il se trouve. A cet effet, le système met en oeuvre le processus illustré par les étapes de la figure 2. La figure 2 illustre donc trois étapes possibles appliquées par un système selon l'invention. Dans une étape 21 d'estimation d'avance, il s'agit d'une estimation de déplacement en trois dimensions, 3D. Cette estimation est obtenue : d'une part à partir de capteurs portés par l'utilisateur, tels que par exemple des accéléromètres, des gyromètres, un magnétomètre ou 25 encore un baromètre ; d'autre part, par exemple, à partir d'un modèle dynamique d'une personne humaine qui permet de calculer le déplacement en fonction des informations capteurs reçues, les paramètres de ce modèle dynamique étant initialisés en fonction de la morphologie de 30 l'utilisateur. Au cours de la progression du déplacement de l'utilisateur, le système peut, régulièrement ou non, réorienter l'utilisateur s'il détecte une dérive de cap ou d'avance par rapport à l'objectif fixé. L'estimation de déplacement 3D obtenue à partir des capteurs est 35 communiquée au système de navigation qui effectue par exemple un recalage par rapport à la carte afin de supprimer les erreurs de positionnement latérales dues aux dérives des capteurs. En particulier dans l'exemple de la figure 1, si l'estimation positionne l'utilisateur à l'intérieur d'un mur, le système recale l'utilisateur au milieu du couloir 1 en conservant l'estimation d'avance le long de la trajectoire. Dans une étape suivante 22, le système procède à l'identification de l'objectif atteint. L'estimation d'avance obtenue dérive en fait dans le temps par accumulation d'erreur à chaque pas de l'utilisateur. Il est donc nécessaire de relocaliser régulièrement celui-ci sur une carte de lieux. Le système cherche 1 o alors à identifier que l'objectif indiqué a été atteint. Deux modes d'identification peuvent par exemple être utilisés : un mode utilise la perception de l'utilisateur qui indique que l'objectif est atteint en envoyant au dispositif de navigation une information, par exemple du type clic ; 15 un autre mode est basé sur la reconnaissance de l'objectif à partir des capteurs. Dans ces deux cas, le dispositif de navigation donne, une fois l'objectif atteint, un nouvel objectif à atteindre. Tous ces objectifs sont en fait des objectifs intermédiaires situés entre le point de départ A et le point 20 d'arrivée B. La reconnaissance du franchissement d'un objectif peut se faire par exemple par une mesure d'un changement de cap, tel qu'un changement de couloir notamment, par une estimation de montée ou de descente dans le cas d'un escalier, ou encore par une identification d'un déplacement sans mouvement de la personne, lorsqu'elle est notamment dans une rame de 25 métro. Une autre étape 23 concerne les cas de perte de localisation de l'utilisateur. Ces cas de perte de localisation peuvent survenir en particulier dans des endroits extrêmement difficiles où il y a par exemple une présence de foule ou à l'intérieur de très grands halls. Ils peuvent aussi survenir lorsque 30 l'utilisateur ne suit pas les instructions du système de navigation. A partir des dernières mesures reçues et de données que peut fournir l'utilisateur telles que par exemple des informations sur la présence d'un couloir, d'un escalier ou d'un portillon, le système peut effectuer un calcul probabiliste des positions les plus probables, autres que celle définie initialement et peut alors proposer une solution alternative pour atteindre l'objectif défini. En cas de perte totale de localisation, le système propose par exemple différents modes de relocalisation absolue basée sur l'entrée d'un code de relocalisation obtenu par exemple sur une borne tactile ou une relocalisation automatique par borne RFID. Ces bornes de relocalisation tactile ou RFID sont à cet effet positionnées à des endroits clés des zones de déplacement. La figure 3 illustre un enchaînement possible des étapes 21, 22, 23 précédemment décrites, qui peuvent se suivre selon un processus itératif en fonction du renouvellement des objectifs à atteindre tout au long du parcours. Dans un premier temps 31 l'objectif à atteindre est présenté. Puis dans la première étape 21 le système effectue l'estimation du déplacement ainsi que la correction éventuelle de la trajectoire. Dans l'étape suivante 22 selon que l'objectif est atteint ou non, plusieurs actions sont possibles. Si l'objectif est atteint un nouvel objectif à atteindre est présenté 31. Si l'objectif n'est pas atteint une estimation probabiliste 32 de la position est effectuée puis un nouvel objectif à atteindre est présenté. Si l'objectif est perdu, une étape 33 de localisation absolue est effectuée avant de présenter un nouvel objectif à atteindre. La figure 4 présente un mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention. Plus précisément, la figure 4 présente un utilisateur 41 équipé d'un tel dispositif. Le dispositif comprend un calculateur 42 porté par exemple au niveau de la ceinture de l'utilisateur et des capteurs 43, répartis sur le corps de l'utilisateur. Il s'agit d'un mode de réalisation général et idéal, un seul emplacement capteur pouvant suffire au fonctionnement du dispositif. Sur la figure, chaque capteur 43 peut représenter un ensemble de capteurs centralisés à un endroit particulier du corps. Le calculateur peut être relié à une IHM destinée notamment à la saisie de données en entrée, en particulier pour la saisie du point de départ et du point d'arrivée, ainsi que pour la saisie de repères intermédiaires par exemple. L'IHM est par exemple aussi destiné à la présentation d'informations en sortie provenant du calculateur 42 telles que notamment des indications du chemin planifié, des distances ou des changements de direction. Ces informations peuvent être délivrées sous forme sonore, visuelle ou tactile. Le calculateur comporte en mémoire une cartographie numérique, 2D ou 3D, des lieux dans lequel le déplacement de l'utilisateur est prévu. Il comporte aussi un programme de navigation comprenant un système de traitement des signaux provenant des capteurs 43, et de l'IHM, ainsi par exemple qu'un système informatique de navigation qui effectue la fusion des données entre la cartographie et les informations issues des capteurs et de l'IHM, ce système calculant à partir de ces données la localisation absolue instantanée de l'utilisateur, c'est-à-dire la position de l'utilisateur référencée par rapport à la carte et la planification du chemin à parcourir. La figure 5 présente les différents blocs fonctionnels possibles d'un système selon l'invention tel que décrit précédemment. Le calculateur 42 équipé en mémoire d'une carte numérique du lieu où est prévu le déplacement de l'utilisateur 41 est relié par une liaison bidirectionnelle à une interface homme-machine 51. Le calculateur comporte par ailleurs en mémoire le programme de navigation 52 précédemment décrit. Les capteurs 43, sont reliés au calculateur. Ces capteurs 43, peuvent être des centrales inertielles, une centrale inertielle pouvant dans ce cas être l'association de 3 gyromètres et de 3 accéléromètres. Ces centrales inertielles donnent des informations de cap et de vitesse, mais pas d'informations de position. Le système doit donc déterminer la position de l'utilisateur à partir des données fournies par ces capteurs. Le dispositif peut par ailleurs comporter d'autres types de capteurs tel qu'un baromètre et/ou un magnétomètre, ces capteurs étant situés par exemple dans le même boîtier que celui qui comporte le calculateur. Pour définir la position de l'utilisateur, une simple intégration des vitesses données par les capteurs n'est pas suffisante car la position dérive rapidement. Le système permet donc de recaler régulièrement la position calculée de l'utilisateur 41. A cet effet, le système utilise par exemple : la signature de signaux au franchissement des points clés du trajet tels que par exemple les escaliers ; les informations données par l'utilisateur, par exemple lors des franchissements des barrières du métro. la détection des pas Le système analyse les signaux provenant des différents capteurs utilisés en les comparant notamment aux paramètres d'un modèle physique de l'utilisateur pour identifier les signatures de jalons caractéristiques de la reconnaissance d'objectifs, la détection de dérive ou la détection d'avance. Les jalons caractéristiques sont par exemple des changements de direction ou des montées/descentes de marche. Les capteurs, tels que des centrales inertielles notamment permettent de détecter des types de mouvements de l'utilisateur, chaque mouvement ayant une caractéristique ou une signature. Ces types de mouvements détectés sont par exemple comparés avec des caractéristiques du modèle humain. Ainsi des centrales inertielles 43 placées au niveau des épaules permettent de détecter un mouvement vers la gauche ou vers la droite de l'utilisateur. De même des centrales inertielles 44 placées au niveau des chevilles permettent de détecter que l'utilisateur monte ou descend un escalier. Il est possible de prévoir un modèle physique de l'utilisateur extrêmement fin avec beaucoup de capteurs positionnés sur son corps avec peu d'interactions avec l'utilisateur. C'est-à-dire que dans ce cas l'utilisateur communique peu via l'IHM, il n'est pas nécessaire qu'il entre des informations complémentaires, de positionnement par exemple. Dans un cas contraire, le modèle physique peut être moins fin, donc nécessiter moins de capteur, mais avec plus d'interactions avec l'utilisateur pour pallier le manque d'informations issues des capteurs. Le modèle physique permet notamment au calculateur d'interpréter les informations de mouvement données par les capteurs et d'obtenir une estimation plus précise de déplacement. Dans un autre mode de réalisation, le système selon l'invention peut être composé d'un simple boîtier intégrant à la fois l'unité de calcul et les mémoires associées ainsi que l'ensemble des capteurs. Plus le système utilise de capteurs répartis sur l'ensemble du corps, plus l'estimation obtenue à partir d'un modèle dynamique du corps de l'utilisateur est précise, et moins il est nécessaire d'effectuer des recalages de localisation. Cela implique une interaction avec l'utilisateur moindre et/ou une augmentaion de la distance entre les objectifs intermédiaires à atteindre (réduction du nombre d'objectifs intermédiaires). Dans un cas contraire, si on recherche un système très simple avec un seul 35 boîtier tel que décrit précédemment, à moindre coût et facilement portable, ce système utilise une configuration basique, sans modèle dynamique de l'utilisateur. Dans ce mode de réalisation le système effectue des recalages plus fréquents et l'utilisateur peut être plus souvent sollicité. Une IHM peut être utilisée pour saisir des données d'entrée et présenter des informations en sortie. Cette IHM peut utiliser des signaux sensoriels, par exemple sonores ou tactiles et/ou visuels. L'interface est choisie par exemple pour respecter des règles qui peuvent être importantes comme ne pas masquer, altérer ou perturber des indices sonores, haptiques, olfactifs ou thermiques habituellement exploités par les utilisateurs. L'IHM doit par ailleurs de préférence ne communiquer que ce qui est utile à l'instant opportun sans générer d'erreurs ni d'abaissement du niveau de vigilance. En ce qui concerne la cartographie des lieux, les plans 3D du métro par exemple existent déjà et les plans des bâtiments ou lieux publics sont relativement simples à réaliser en 3D, ou en 2D si on se limite aux déplacements sur un seul étage. Pour les opérations de navigation, des algorithmes standards peuvent être utilisés. L'invention permet avantageusement d'effectuer l'intégration dans un même dispositif d'un ensemble de variables provenant de capteurs, de l'utilisateur et d'une cartographie pré-enregistrée, et utilise la fusion de données issues des capteurs et des renseignements donnés par l'utilisateur avec la cartographie. La fusion des données issues des capteurs est par exemple réalisée avec un modèle physique et est effectuée en permanence. Il est possible d'utiliser un modèle très simple. Par exemple une impulsion de capteur peut correspondre à un pas de l'utilisateur. Il est aussi possible d'utiliser un modèle plus fin. Par exemple, un capteur peut être placé sur le torse de l'utilisateur, ce qui permet également une évaluation du cap suivi par l'utilisateur. Plus généralement, le logiciel de navigation implanté dans le système prend en compte les informations issues des capteurs, les informations données par l'utilisateur et les informations de cartographie, et à partir de ces informations il délivre les informations pour le chemin à suivre. L'importance respective de ces informations pour le traitement de navigation dépend notamment de l'application et du nombre de capteurs utilisés et de leur disposition sur l'utilisateur. Avantageusement, un dispositif selon l'invention ne demande pas d'équipements complémentaires des bâtiments traversés. Il est par ailleurs discret, facile à porter et léger. II est adaptable à tous les lieux cartographiés au préalable. Il utilise des capteurs miniaturisés et à faible coût. II est particulièrement adapté aux personnes malvoyantes mais il peut aussi être utilisé par des personnes valides. Un dispositif selon l'invention peut aussi être couplé avec un système de relocalisation ponctuel du type RFID ou GPS par exemple. 15 20 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'assistance à la navigation d'une personne, caractérisé en ce que ledit dispositif équipant la personne (41), il comporte au moins : un calculateur (42) comprenant en mémoire une carte numérisée du lieu (1) dans lequel le trajet de la personne (41) est prévu entre un point de départ (A) et un point d'arrivée (B), et un programme de navigation (52) ; une interface homme-machine (51) reliée au calculateur ; - un ensemble de capteurs (43,) portés par la personne, reliés au calculateur, les capteurs délivrant des informations sur les 1 o mouvements de la personne ; le programme de navigation (52) effectuant un traitement des signaux provenant des capteurs (43,) et de l'interface (51), et effectuant la fusion des données fournies par la carte numérisée et les informations issues des capteurs et de l'interface, puis calculant à partir de ces données la -15 localisation absolue de la personne (41) sur la carte et corrigeant les erreurs d'estimation de position.. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le programme 20 calcule le chemin à parcourir par la personne sur le trajet (A, B) en fonction de la localisation calculée et des informations issues de la carte numérisée, des capteurs (43,) et de l'interface (51), les indications pour parcourir le chemin étant fournies par les informations de sortie de l'interface (51). 25 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un capteur au moins est une centrale inertielle. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul du chemin à parcourir est mis à jour en 30 fonction d'objectifs intermédiaires du trajet (A, B) atteints identifiés, ces objectifs intermédiaires étant repérés sur la carte numérisée et permettant le recalage abolu de la localisation de l'utilisateur sur la carte.5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'objectif atteint est identifié par un mouvement caractéristique de la personne détecté par au moins un capteur (43, ). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'objectif atteint est identifié par une information fournie à l'interface (51) par la personne. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en 10 ce qu'il met en oeuvre un processus itératif en fonction du renouvellement des objectifs intermédiaires à atteindre tout au long du trajet, - l'objectif à atteindre étant défini (31) ; - dans une première étape (21) l'estimation du chemin ainsi que la correction éventuelle de la trajectoire sont calculés ; 15 - dans l'étape suivante (22), si l'objectif est atteint un nouvel objectif à atteindre est défini (31), si l'objectif n'est pas atteint une estimation probabiliste (32) de la position est effectuée puis un nouvel objectif à atteindre est défini (31). 20 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que si l'objectif est perdu, une étape (33) de localisation absolue est effectuée avant de définir un nouvel objectif à atteindre. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce que le calculateur comporte en mémoire un modèle physique de la personne (41), les informations de mouvements issus des capteurs étant comparées à ce modèle physique. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce l'interface utilise des signaux, d'entrées ou de sorties, sensoriels.