Brevet FR2914739A1 — publié le 20081010

Domaine de l'invention. La présente invention concerne un dispositif fournissant une estimation du vecteur vitesse et du vecteur position d'un solide. Le procédé est le suivant : on utilise les variations spatiales et temporelles du champ magnétique évaluées grâce aux mesures d'un ou de magnétomètres et d'une ou de plusieurs centrales inertielles. 2 État de la technique connue la plus proche de l'invention. A) Exposés des points caractéristiques des réalisations antérieures. Le monde de la recherche comme celui de l'industrie s'est intéressé au problème du 10 positionnement à l'intérieur de bâtiments ou dans des zones où le GPS (Global Positionning System) moyen traditionnellement employé présente une précision insuffisante ou une absence d'information de position du fait d'un signal faible ou brouillé. II existe deux classes de techniques pour résoudre ce problème : 15 1. Les techniques inertielles traditionnelles basées sur l'intégration au travers d'un filtre de Kalman ou d'un autre observateur d'informations en provenance de gyromètres et d'accéléromètres embarqués sur le solide dont on souhaite estimer la position et la vitesse. Réf : P. Faurre, Navigation inertielle et filtrage stochastique, DUNOD, 1971 20 2. La méthode de dead reckoning qui est considérée comme la plus adaptée pour répondre au besoin de connaissance des vitesses et position en l'absence de GPS. Notamment pour un piéton, elle a été étudiée et développée par l'industriel Vectronix et a donné lieu à plusieurs travaux de recherche qui nous semblent refléter l'état de l'art en la matière. • L'estimation de cap provient de la fusion des données du magnétomètre et d'un ou 25 de plusieurs gyromètres, les phases de mouvement et d'arrêt sont déterminées en utilisant les accéléromètres. • L'estimation de vitesse est obtenue soit par évaluation de la longueur des pas (0.8m) soit par évaluation de la vitesse d'un homme qui marche (0.8m/s). Réf : O.Mezentsev, G. Lachapelle, and J. Collin. Pedestrian dead reckoning a solution do 30 navigation in GPS signal degraded areas? GEOMATICA 59(2), 2005 B) Lacunes ou inconvénients des réalisations antérieures La première méthode (techniques inertielles traditionnelles) nécessite l'emploi de capteurs de haute précision dont le prix, le poids, l'encombrement et la consommation sont très importants. 35 La deuxième méthode (dead reckoning) donne des résultats suffisamment précis pour être exploitables, dans le cas d'un piéton, sous réserve que : -le champ magnétique ne soit pas très perturbé. Dans le cas contraire on aura une erreur notable sur le cap estimé et par voie de conséquence sur la position (le cap se déduisant à partir 40 des magnétomètres en estimant que le champ obtenu est le champ terrestre à une matrice de rotation près) -le piéton se déplace dans la direction de son buste, avec des pas réguliers (pas de pas sur le coté, pas de rotation du buste en avançant, pas de changement de rythme ni de longueur des pas...) 45 3 Buts de l'invention. Le système que nous proposons permet d'obtenir précisément la position d'un solide dans un lieu où le champ magnétique est perturbé grâce à l'estimation de sa vitesse. Précisément, on utilise, en complément des équations déjà utilisées en techniques inertielles classiques, l'équation 50 suivante pour estimer le vecteur vitesse V , à partir des mesures de champ magnétique M et de ses dérivées par rapport au temps et de ses dérivées spatiales, mesurées ou estimées, figurant dans la matrice hessienne de h. 1 2914739 M=-S2 xIII- +RV2hRTV où R est la matrice de passage du repère terrestre au repère lié au solide et D le vecteur vitesse instantané de rotation du solide. Grâce à cette information sur la vitesse du solide l'erreur sur l'estimation de position sera dans le pire des cas proportionnelle au temps, contrairement aux 5 techniques inertielles classiques où elle est quadratique en temps. 4 Les moyens de l'invention. Une ou des centrales inertielles (IMU : dispositif regroupant un dispositif de mesure des accélérations et des vitesses instantanée de rotation ou des angles le long des axes d'un trièdre direct) couplées à un ou des magnétomètres répartis spatialement et solidaires de la ou des centrales inertielles, constituent la base du système. L'utilisation de plusieurs magnétomètres permet de mesurer directement les gradients de champ magnétique par exemple par différence finie (développement de Taylor), au lieu de les estimer. 5 Description d'un exemple détaillé de réalisation. 3 magnétomètres sont disposés sur les sommets d'un trièdre direct. Une IMU est placée à l'origine du trièdre. La figure 3 montre la position des 3 magnétomètres placés sur les 3 sommets ainsi que l'IMU placée à l'origine du trièdre. Les données issues de ces capteurs sont transmises à une carte électronique d'acquisition et de calcul qui délivre à l'utilisateur une information de position et de vitesse via une liaison filaire et une liaison sans fil. Avec ce dispositif expérimental, les résultats suivants ont été obtenus : Figurel : un déplacement de lm est effectué selon un axe par incrément de 10cm, ce mouvement est estimé avec précision. Figure2 : un déplacement aller/retour de 20 cm est effectué successivement selon les trois axes d'un trièdre par incrément de 10cm, ce mouvement est estimé avec précision. 6 Variantes éventuelles. Tout dispositif expérimental permettant d'obtenir les variations spatiales du champ magnétique rentre dans le cadre du dispositif de cette invention. En particulier, un placement géométrique différent des magnétomètres rentre dans le cadre du dispositif de cette invention. L'usage d'un nombre quelconque de magnétomètres spatialement répartis, en vue d'obtenir les gradients du champ magnétique rentre dans le cadre de cette invention. L'usage complémentaire d'autres capteurs, (capteur de pression, radar Doppler, GPS, odomètre...) rentre également dans le cadre de cette invention. 7 Dessins. 2 REVENDICATIONS 1) Dispositif d'estimation de la vitesse et/ou de la position d'un solide caractérisé en ce qu'il est constitué d'une centrale inertielle et d'un ou de plusieurs magnétomètres répartis dans l'espace dont les données qui en sont issues sont exploitées par une carte d'acquisition et de calcul pour estimer la vitesse V qui n'est pas directement mesurée, en utilisant l'équation suivante : -QXM+RV2hR V ladite équation régissant l'évolution au cours du temps du champ magnétique M là où se situe le solide, en fonction des mouvements de rotation R et des vitesses angulaires de rotation S2 du solide, dans une zone de l'espace où le champ magnétique, auquel correspond la matrice hessienne V2h constituée des gradients du champ magnétique dont une mesure est obtenue directement au moyen desdits magnétomètres répartis dans l'espace ou par estimation, est perturbé. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les magnétomètres sont au nombre de 3. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les magnétomètres sont disposés sur les sommets d'un trièdre direct. 4) Procédé d'estimation de la position d'un solide pour la mise en oeuvre du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'on effectue une estimation de la vitesse V du solide, en utilisant, en complément des équations déjà utilisées en techniques inertielles classiques, l'équation suivante : M=-QxM+RV2hRTV pour estimer le vecteur V, à partir des mesures de champ magnétique M et de ses dérivées par rapport au temps et de ses dérivées spatiales, mesurées ou estimées, 35 figurant dans la matrice hessienne de h. 40 45 50 30 55