Brevet FR2978240A1 — publié le 20130125

DISPOSITIF ET PROCEDE DE LOCALISATION ET DE POSITIONNEMENT D'UN CORPS EN MOUVEMENT DANS UN ENVIRONNEMENT FERME DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif et un procédé de localisation, de géolocalisation et de positionnement d'un corps en mouvement dans un environnement fermé. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de localisation et géolocalisation utilisés en embarqué dans des appareils nomades, par exemple des téléphones mobiles, des tablettes, des PC (ordinateurs personnels) portables ou sur des systèmes mobiles (robots mobiles, véhicules, piétons...) visant des applications civiles (par exemple d'aide à la navigation), des applications de sécurité (par exemple de surveillance) impliquant le besoin d'un positionnement là où les approches classiques par exemple GPS (« système de positionnement global »), sont inopérantes. Par géolocalisation on désigne une localisation géographique, donc absolue, contrairement au terme localisation qui désigne une localisation relative. Les dispositifs de l'art connu qui adressent les problèmes de localisation ou de géolocalisation reposant sur des technologies GPS 2 destinés aux appareils nomades, sont inopérants dans un environnement de type « indoor ». Par « indoor » on désigne un environnement fermé présentant une immunité à la propagation d'ondes électromagnétiques de l'extérieur vers l'intérieur (par exemple : bâtiment, sous-sol, parkings sous-train, canalisations,_). En effet, les environnements « indoor » présentent des spécificités structurelles les rendant peu ou pas perméables aux signaux GPS émis par les satellites. Par ailleurs les dispositifs de type centrales inertielles, utilisés pour la navigation sans GPS dans les systèmes technologiquement avancés (applications militaires principalement), possèdent leurs contraintes (coût, dérive capteur, encombrement important de l'ordre d'une dizaine de ressources de calcul importante) dues principalement à l'exploitation de données accélérométriques. Les dispositifs de type centrales inertielles peuvent être extrêmement volumineux (dizaine de a3) au regard de la compacité offerte par une puce GPS. Par ailleurs, les solutions à base de centrales inertielles présentent une forte dérive due à la nature de leurs composants. Le document référencé [1] en fin de description décrit des techniques de localisation « indoor » pour un robot mobile ou cibles mobiles et des techniques de navigation pour un piéton. L'invention a pour objet de pallier les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en proposant un dispositif et un procédé permettant : 3 - une localisation et une géolocalisation précise (inférieure au mètre) en environnement fermé, sans pré-équipement des lieux (balises), - une compacité importante (quelques ) 5 par rapport aux systèmes existants permettant d'adresser des applications embarquées, - de palier aux dérives importantes des capteurs dans les dispositifs de l'art connu (notamment inertiels). 10 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention, dans un premier mode de réalisation, concerne un dispositif de localisation, de géolocalisation et de positionnement d'un corps (ou 15 objet) en mouvement dans un environnement fermé, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens de détermination du vecteur vitesse de déplacement de ce corps par mesure anémométrique apte à effectuer des mesures de vent 20 relatif engendrées par le déplacement de ce corps et à délivrer un signal correspondant, et - des moyens de traitement de ce signal aptes à calculer le vecteur vitesse de ce corps. Avantageusement ces moyens de détermination 25 de vecteur vitesse comprennent au moins un capteur anémométrique, avantageusement colinéaire au déplacement du corps. Avantageusement le dispositif de l'invention peut comprendre des moyens de combinaison 30 des données de sortie de cet au moins un capteur 4 anémométrique avec des données issues d'au moins un capteur de type inertiel, magnétique ou radio. Il peut également comprendre une unité de visualisation. Dans un second mode de réalisation le dispositif de l'invention est associé à un dispositif de géopositionnement. L'invention concerne aussi un appareil susceptible de se déplacer dans un environnement contraint comprenant un tel dispositif. L'invention concerne également un procédé de localisation, de géolocalisation et de positionnement d'un corps en mouvement dans un environnement fermé, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de détermination du vecteur vitesse de déplacement de ce corps par mesure anémométrique apte à effectuer des mesures de vent relatif engendrées par le déplacement de ce corps et à délivrer un signal correspondant, et - une étape de traitement de ce signal apte 20 à calculer le vecteur vitesse de ce corps. Avantageusement le procédé de l'invention comprend une étape de combinaison des données de mesure anémométrique avec des données issues d'au moins un capteur de type inertiel, magnétique ou radio. Il peut 25 également comprendre une étape de calibration préalable. Dans l'invention, l'utilisation d'un capteur anémométrique permet d'obtenir les avantages suivants . 30 - Le dispositif de l'invention ne présente pas de dérive. Il présente une relative compacité (quelques =') et nécessite peu de traitement de signal, du fait que la position est obtenue par l'intégration d'un vecteur vitesse et non de 5 l'exploitation complexe de données accélérométriques et gyroscopiques, voire magnétiques. L'invention s'affranchit complètement du déploiement d'une infrastructure matérielle au sein de l'environnement « indoor » contrairement à des approches de localisation et de géolocalisation de l'art connu (par Wifi (« Wireless Fidelity »), GNSS (« Global Navigation Satellite System »), UWB (« Ultra Wide Band »), GSM (« Global System for Mobile Communication »),...) où des balises émettrices sont positionnées dans l'environnement. La détermination de la localisation du corps en mouvement est facilitée en terme de traitement du signal (on peut citer à titre d'exemple les ressources de calcul pour traiter les informations issues du capteur, l'intégration numérique de la sortie capteur), du fait que le dispositif de l'invention n'utilise pas de moyens externes pour déterminer cette localisation (sans infrastructure déployée), que la dérive en positionnement est nulle (de moins d'un facteur 5 inférieur à des approches inertielles) et la compacité est forte (quelques ). Enfin, le système fonctionne dans un environnement fermé. Le dispositif de l'invention peut être utilisé dans toute application nécessitant un positionnement dans un environnement où les signaux GPS ne fonctionnent pas, ou lorsque l'on ne souhaite pas 6 déployer d'infrastructures extérieures (balises, pseudolites). Il permet de résoudre le problème de localisation et de géolocalisation « indoor » de cibles mobiles (piétons, robots, véhicule terrestre...). Ce dispositif peut potentiellement viser une application très grand public ainsi que professionnelle. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un premier mode de 10 réalisation du dispositif de l'invention. La figure 2 illustre un second mode de réalisation du dispositif de l'invention. La figure 3 illustre un ensemble de capteurs anémométriques et le vent relatif incident. 15 Les figures 4A à 5B illustrent les signaux issus d'un ensemble de capteurs anémométriques et la représentation de deux composantes de flux. La figure 6 illustre un capteur anémométrique et un objet en mouvement, avec affichage 20 sur cet objet de la localisation, en environnement « indoor » par exemple. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 25 L'invention concerne le dispositif de l'invention, qui réalise la détermination du vecteur vitesse de déplacement d'un corps (ou objet) en mouvement, par mesure anémométrique, permettant ainsi de remonter à la position et à la localisation de ce 7 corps à tout moment, dans son environnement de déplacement par intégration de ce vecteur vitesse. Ce dispositif se présente sous la forme d'un capteur anémométrique couplé ou intégré à un appareil de type smartphone(téléphone intelligent)/GPS/tablette ou tout autre appareil susceptible de se déplacer dans un environnement fermé. Il permet à terme à l'utilisateur d'évaluer sa position et celle du corps à tout instant. L'exploitation du vent relatif créé autour du corps en déplacement permet une localisation en environnement fermé, dans un environnement où l'utilisation des ondes GPS est impossible. Le dispositif peut ainsi être utilisé pour 15 la localisation « indoor » (en interne) d'objets et de personnes pour leur aide à la navigation. Dans un premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, le dispositif 14 de mesure de la vitesse de déplacement d'un corps (ou objet) en 20 mouvement selon l'invention comprend au moins un capteur anémométrique 10, destiné à effectuer des mesures de vent relatif et positionné de manière à être sensible aux variations de vent relatif engendrées par le déplacement de ce corps ; soit colinéaire au 25 mouvement de ce corps. Le capteur 10 permet de transformer la grandeur physique de la vitesse du vent relatif en une grandeur physique 11 se traduisant sous forme d'un potentiel électrique ou un courant électrique. Des moyens de traitement 12 sont aptes à 30 déterminer, à partir d'un tel signal, le vecteur vitesse dudit corps en mouvement. Les moyens de 8 traitement 12 sont constitués par exemple d'un calculateur numérique en mesure de réaliser des calculs mathématiques avancés à partir des données 11 qu'il reçoit à son entrée. Avantageusement, le dispositif de l'invention 14 comprend une unité de visualisation 13 pour afficher en temps réel la position déterminée par le dispositif de l'invention 14. L'unité 13 se traduit sous la forme d'un affichage standard (écran de visualisation). Elle peut également exploiter les fonctionnalités d'affichage d'un terminal mobile (smartphone, tablette,_). Dans un second mode de réalisation, comme illustré sur la figure 2, on utilise un dispositif de géopositionnement traditionnel (GPS, inertiel...) 15. Lorsque ce dispositif de géopositionnement 15 ne reçoit plus de données de position (par exemple lorsque la personne, l'objet, ou le véhicule, se déplace dans un bâtiment), le dispositif de l'invention 14 illustré sur la figure 1 prend le relais et fournit une donnée représentative du vecteur vitesse et/ou de la position du corps en mouvement à ce dispositif de géopositionnement 15, qui peut alors déterminer la position du corps en mouvement dans une configuration « Indoor ». Cette fonctionnalité permet de palier aux inconvénients de l'art connu et d'adresser le contexte de la transition « outdoor » vers « indoor ». Par ailleurs le dispositif de géopositionnement 15, qui peut contenir des capteurs inertiels, peut fournir au moyen de traitement 12 des données issues de ces capteurs inertiels, afin de 9 compléter le calcul de la position obtenu par le dispositif de l'invention 14. Avantageusement, le dispositif de géopositionnement 15 peut prendre en charge ce calcul de positionnement. Le dispositif de l'invention 14 comprend donc au moins un capteur anémométrique dont l'intégration sur un corps en mouvement permet de mesurer le vent relatif (écoulement produit par le corps en mouvement) autour du corps lors de son déplacement. Ce dispositif peut être utilisé dans un environnement où les flux d'écoulement sont connus ou maitrisés, par exemple dans un environnement de type « indoor » (bâtiment, hall, tunnel, souterrain _). Dans le cas où les flux d'écoulement ne sont pas connus, une phase de calibration peut être envisagée afin de déterminer le modèle de l'environnement. Cette phase de calibration se traduit par des relevés expérimentaux des vitesses d'écoulement dans les différents environnements d'évolution du corps mobile. Le capteur et le corps forment alors l'ensemble innovant permettant d'obtenir la localisation du corps. L'exploitation d'au moins un capteur anémométrique, qui ne présente peu ou pas de dérive (de moins d'un facteur 5 inférieur à des approches inertielles), présente une relative compacité (quelques ) et nécessite peu de traitement de signal. Par peu de traitement de signal, on désigne à contrario le volume important des ressources de calcul nécessaires pour extraire la localisation sur la base d'approches conventionnelles (par exemple inertielle). Dans l'invention, la position du corps est donc issue d'une seule intégration d'un 10 vecteur vitesse et non de l'exploitation complexe de données accélérométriques et gyroscopiques, voire magnétiques dans le cas d'une centrale inertielle, et ne repose pas sur l'utilisation d'éléments externes de type balises, qui sont des infrastructures complexes à déployer dans l'environnement d'évolution du mobile, soit pour des raisons de coûts soit pour des raisons d'encombrement pour obtenir une localisation dans un environnement où l'exploitation signaux GPS est impossible. Le capteur anémométrique et le corps forment alors un tout indivisible et fonctionnel en lui-même. La position offrant la meilleure sensibilité de mesure est celle où l'angle d'ouverture du ou des capteurs anémométriques 20 est colinéaire avec le flux 21 à mesurer, comme illustré sur la figure 3. Ainsi une multiplicité de capteurs 20 (Cl-C7) offrant des orientations différentes permettent de détecter les différentes composantes du flux, comme illustré sur les figures 4A et 5A. Les signaux obtenus, illustrés sur les figures 4B et 5B, correspondent aux différents capteurs Cl-C7. Le dispositif de l'invention peut néanmoins utiliser tout ou en partie des autres moyens offerts pour effectuer une localisation en environnement fermé. On peut alors effectuer une fusion de données avec des capteurs de types inertiels, magnétiques, radio, qui peuvent être déjà inclus dans le corps (par exemple smartphone, tablette...), afin d'obtenir une meilleure précision de localisation, comme illustré sur la figure 6. La référence 30 concerne un capteur anémométrique, et la référence 31 un corps ou objet en mouvement. Références [1] "Indoor mobile robot and pedestrian localization techniques" de Hyo-Sung Ahn et Wonpil Yu (« International Conference on Control, Automation and Systems 2007 », 17-20 octobre 2007, COEX, Seoul, Corée). REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de localisation et de positionnement d'un corps en mouvement dans un environnement fermé, caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens (10) de détermination du vecteur vitesse de déplacement de ce corps par mesure anémométrique apte à effectuer des mesures de vent relatif engendrées par le déplacement du corps et à délivrer un signal correspondant, et - des moyens (11) de traitement de ce signal aptes à calculer le vecteur vitesse de ce corps. 2. Dispositif selon la revendication 1, 15 dans lequel ces moyens de détermination de vecteur vitesse comprennent au moins un capteur anémométrique. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel au moins un capteur anémométrique est 20 colinéaire au déplacement du corps. 4. Dispositif selon la revendication 2, comprenant des moyens de combinaison des données de cet au moins un capteur anémométrique avec des données 25 issues d'au moins un capteur de type inertiel, magnétique ou radio. 5. Dispositif selon la revendication 1, comprenant une unité de visualisation (13). 6. Dispositif selon la revendication 1 comprenant un dispositif de géopositionnement (15). 30 13 7. Appareil susceptible de se déplacer dans un environnement contraint comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. 8. Appareil selon la revendication 7, qui est un appareil de type smartphone/GPS/tablette. 9. Procédé de localisation et de 10 positionnement d'un corps en mouvement dans un environnement fermé, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de détermination du vecteur vitesse de déplacement de ce corps par mesure anémométrique apte à effectuer des mesures de vent 15 relatif engendrées par le déplacement de ce corps et à délivrer un signal correspondant, et - une étape de traitement de ce signal apte à calculer le vecteur vitesse de ce corps. 20 10. Procédé selon la revendication 9, qui comprend une étape de combinaison des données de mesure anémométrique avec des données issues d'au moins un capteur de type inertiel, magnétique ou radio. 25 11. Procédé selon la revendication 9 comprenant une étape de calibration préalable.5