Brevet FR3021413A1 — publié le 20151127

La présente invention concerne un système pour le positionnement d'un mobile terrestre, notamment un piéton, permettant des applications à la navigation et au guidage de piétons, notamment aveugles ou malvoyants. On connaît déjà des systèmes de positionnement terrestre pour piétons mettant en oeuvre un système de localisation par satellites, tels que le GPS, apte à déterminer la position géographique et la vitesse desdits piétons en utilisant les mesures des pseudo-distances entre un récepteur porté par ces derniers et au moins quatre satellites d'une constellation. On sait, de plus, que la précision de positionnement donnée par un tel système de localisation satellitaire dépend d'un nombre important de paramètres (liés au nombre et à la géométrie des satellites, ainsi qu'à différentes erreurs de ces derniers, des récepteurs terrestres, des trajets récepteurs-satellites, etc...), de sorte que les erreurs de positionnement terrestre par satellites peuvent être importantes. La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient en améliorant la précision du positionnement terrestre délivré par un système satellitaire de positionnement. A cette fin, selon l'invention, le système pour le positionnement d'un mobile terrestre, notamment un piéton, ledit système comportant un récepteur de positionnement satellitaire délivrant des estimations satellitaires de la position et de la vitesse linéaire dudit mobile, est remarquable en ce qu'il comporte : - un unique magnétomètre 3-axes délivrant, selon trois axes dudit mobile, des mesures du champ magnétique environnant ; - des moyens de calcul pour calculer, à partir desdites mesures délivrées par ledit magnétomètre, une estimation de la vitesse linéaire dudit mobile ; et - des moyens pour recaler lesdites estimations satellitaires de la position et de la vitesse linéaire dudit mobile à l'aide de ladite estimation magnétométrique de la vitesse linéaire dudit mobile. On remarquera que le système de positionnement conforme à la présente invention ne met en oeuvre qu'un unique magnétomètre 3-axes, ce qui est particulièrement avantageux en termes de masse, d'encombrement, de coût et de simplicité de mise en oeuvre. De préférence, pour prendre en compte l'attitude dudit mobile, le système conforme à la présente invention comporte de plus des gyromètres délivrant une estimation de la vitesse de rotation dudit mobile qui est prise en compte par lesdits moyens de calcul dans le calcul de ladite estimation magnétométrique de la vitesse linéaire dudit mobile. La présente invention met à profit le fait que, comme cela est par exemple montré dans l'article "Combining Inertial Measurements and Distributed Magnetometry for Motion Estimation" de E. DORVEAUX, T. BOUDOT, M. HILLION et N. PETIT, American Control Conference (ACC), pp. 4249-4256, juin 2011, dans un champ magnétique supposé spatialement statique, le déplacement d'un mobile se trouvant dans ledit champ magnétique respecte l'équation (1) suivante : B = - xii+Vgx (1) formule dans laquelle g est ledit champ magnétique, il est la dérivée dg/dt du champ magnétique y par rapport au temps t, SZ la vitesse de rotation dudit mobile, i-47 la vitesse linéaire dudit mobile et Vil la matrice jacobienne dudit champ magnétique. Bien entendu, si le mobile ne se déplace qu'en translation pure, la vitesse de rotation SZ est nulle et l'équation (1) se réduit à l'équation = DB x17 (2) Selon la présente invention, l'équation (1) est utilisée sous la forme : Él+Tixil=ex-rt x IIVII (4) 11v11 dans laquelle IIVII est la norme de la vitesse linéaire V du mobile. L'équation (4) montre que la connaissance de la vitesse linéaire V (délivrée par le récepteur de positionnement satellitaire), de la vitesse de rotation i (délivrée par le gyromètre), du champ magnétique /3" (délivré par le magnétomètre 3-axes) et de la dérivée temporelle B du champ magnétique (délivrée par le magnétomètre 3-axes ou calculée par lesdits moyens de calcul) permet l'estimation de la variable x =r7) (5) 11vII Par ailleurs, selon la présente invention, on fait l'hypothèse des trois conditions suivantes : a) la fréquence des estimations satellitaires de positionnement est inférieure à la fréquence des mesures du magnétomètre 3-axes et à la fréquence des mesures des gyromètres ; b) la matrice jacobienne VB est constante entre deux estimations satellitaires de positionnement successives ; et c) la direction de la vitesse linéaire V du mobile ne varie pas entre deux estimations satellitaires de positionnement successives. Les conditions b) et c) mentionnées ci-dessus impliquent que l'expression Kgf, V) est constante entre deux estimations de positionnement satellitaires successives. Par suite, le procédé conforme à la présente invention comporte la succession d'étapes alternatives suivantes : à la réception d'une estimation satellitaire de positionnement, l'expression K(ii, V) est estimée à l'aide de la formule K(-34, fiGps) = (6) 11vGps II dans laquelle VGPS est l'estimation satellitaire de la vitesse ; entre deux estimations satellitaires de positionnement successives, la valeur de l'expression VGPS), estimée à la précédente estimation satellitaire de positionnement à l'aide de la formule (6), est utilisée pour estimer la norme lignagilde la vitesse linéaire à partir des mesures magnétométriques et des mesures gyrométriques selon la formule : Vmag = IlK(s,VGps) Il Il II-à+ &YI' (7) dans laquelle ile + si x BII et liK(r,VGPs) fi sont respectivement les normes de Él + SZ x --É1 et de K(1-3>,VGps) De façon évidente, dans le cas d'un mobile se déplaçant en translation pure, les formules (6) et (7) deviennent respectivement : K(B,VGPS) = B/IIVGPSII (6') Ilvmagll= IIBII vGps) II (7') Ainsi, selon la présente invention, on bénéficie de l'excellente complémentarité entre les mesures délivrées par le magnétomètre 3-axes et celles délivrées par le système de positionnement satellitaire. En effet, ce système de positionnement satellitaire fournit une information de position absolue avec une bonne précision, alors que le magnétomètre 3-axes délivre des informations précises de vitesse. Par ailleurs : - en milieu rural, les mesures de positionnement par satellites sont fiables et précises du fait de l'absence de canyons urbains, ce qui évite les réflexions des signaux et permet d'avoir un nombre important de satellites de la constellation en visibilité, alors que les mesures du magnétomètre sont difficilement exploitables à cause des faibles variations du champ magnétique ; - en milieu urbain, les mesures de positionnement par satellites sont difficilement exploitables à cause de l'existence de canyons, alors que le magnétomètre fournit des mesures fiables du fait de la présence de variations spatiales du champ magnétique suffisamment fortes ; et - en intérieur, le système de positionnement par satellites ne peut généralement pas délivrer des mesures valides à cause d'obstacles à la propagation des signaux, alors que le magnétomètre peut fournir une mesure des vitesses fiable, grâce à la présence de fortes variations spatiales de champ magnétique et à l'absence de masses magnétiques en mouvement. Selon une autre particularité, le système conforme à la présente invention, adapté à un piéton, comporte au moins un support qui est attaché rigidement au torse dudit piéton et qui porte au moins en partie ledit système. Dans un mode de réalisation préféré, le système de l'invention comporte, d'une part, une paire de lunettes qui est adaptée audit piéton, et, d'autre part, un harnais à bretelles qui est attaché rigidement au torse du piéton. On remarquera qu'un tel harnais constitue un support réduisant au maximum les perturbations non statiques du champ magnétique, notamment celles dues aux éventuelles masses métalliques portées par l'utilisateur. Ledit récepteur de positionnement satellitaire peut être celui d'un smartphone porté par ledit mobile. Cependant, il peut être avantageux de mettre en ceuvre un récepteur de positionnement satellitaire présentant des performances meilleures que celles d'un smartphone et porté par ledit harnais, les antennes de ce récepteur de positionnement satellitaire étant disposées à la partie supérieure des bretelles dudit harnais. De plus, ledit harnais peut former un sac à dos permettant de loger différents objets supplémentaires. En plus des capteurs et dispositifs décrits ci-dessus, le système conforme à la présente invention peut comporter différents autres capteurs et dispositifs tels que : - un magnétomètre de cap porté par ladite paire de lunettes ; - des accéléromètres, par exemple également portés par ladite paire de lunettes, afin de mesurer l'accélération dudit mobile et la verticalité de celui-ci, la mesure de cette accélération permettant, par simple ou double intégration, de fournir respectivement une estimation supplémentaire de vitesse et une estimation supplémentaire de position dudit mobile ; - un altimètre, non seulement utile pour connaître l'altitude du mobile, mais également pour fournir la vitesse verticale du mobile ; - un dispositif de comptage de pas permettant, à partir d'un modèle de marche préétabli, d'estimer la position du mobile ; - au moins une caméra, portée par ladite paire de lunettes ou par les bretelles du harnais, apte à reconnaître par traitement d'images l'environnement du piéton et de détecter des éléments singuliers de cet environnement, permettant, en coopération avec une base données d'images, de recaler la position réelle du mobile - au moins un télémètre ; - un dispositif de recalage de position par "map matching", etc... Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques indiquent des éléments semblables. La figure 1 montre un exemple de réalisation du système conforme à la présente invention. La figure 2 montre le schéma synoptique du système de la figure 1. La figure 3 illustre schématiquement le fonctionnement du système conforme à la présente invention. La figure 4 montre une variante de réalisation du système conforme à la présente invention. Sur la figure 1, on a représenté un harnais 1 et une paire de lunettes 2, portés par un mobile 3, notamment un piéton. Le harnais 1 comporte des bretelles 4 et une ceinture 5. A la partie supérieure des bretelles 4 sont prévues des antennes GPS 6 tandis, qu'à la ceinture 5, sont rigidement attachés un support 7 pour un smartphone et un boîtier principal 8. Sur une branche des lunettes 2 peut être disposé un magnétomètre de cap 19 mesurant la direction du champ magnétique pour déterminer l'orientation du nord magnétique. Un tel magnétomètre de cap, optionnel, permet de déterminer l'orientation de la tête du piéton 3, et donc la direction dans laquelle sont orientées d'éventuelles caméras portées par lesdites lunettes 2. A l'intérieur du boîtier principal 8 sont placés un magnétomètre Saxes 9 apte à délivrer des mesures magnétométriques du champ magnétique, en fonction du temps, selon trois axes Ox, Oy, Oz du piéton 3, un récepteur GPS de précision 10 associé aux antennes 6, trois gyromètres 11 a, 11 b et 11c aptes à délivrer respectivement des mesures de la rotation du piéton 3 autour des axes Ox, Oy et Oz et des moyens de calcul 12 (voir la figure 2). Le magnétomètre 3-axes 9 et les trois gyromètres 11a, llb et 11c sont rigidement liés les uns aux autres. Comme le montre la figure 2, les moyens de calcul 12 reçoivent : - du magnétomètre 9 : le champ magnétique terrestre /1 autour du piéton 3, ainsi que la dérivée :9 de ce champ magnétique environnant par rapport au temps, correspondant à la variation dudit champ en fonction du déplacement dudit piéton ; - du récepteur GPS 10 : la vitesse linéaire V du piéton 3 estimée soit par différence temporelle entre les positions GPS successives, soit par effet Doppler sur les signaux GPS ; et - des trois gyromètres 11a, 11 b et 11c : la vitesse de rotation du piéton 3. On remarquera que la dérivée temporelle B du champ magnétique environnant pourrait être calculée par lesdits moyens de calcul 12 ou d'autres au lieu de l'être par le calculateur interne du magnétomètre 9. Comme indiqué ci-dessus, à partir de ces informations B, B , V et respectivement délivrées par le magnétomètre 9, le récepteur GPS 10 et les gyromètres 11a, 1 1 b, 11c, les moyens de calcul 12 mettent en oeuvre la formule fi>=Vilx9 xliVii (4) 11vII dans laquelle V/1 est la matrice jacobienne du champ magnétique, pour déterminer la norme IIVII de la vitesse linéaire magnéto-gyrométrique du mobile 3, compte tenu du fait que : - la fréquence des estimations de positionnement du GPS 10 est inférieure à la fréquence des mesures du magnétomètre 9 et des gyromètres 11 a, 1 1 b, et 11c ; - la matrice jacobienne vg est constante entre deux estimations de positionnement successives du GPS 10 ; et - la direction de la vitesse linéaire du mobile 3 ne varie pas entre deux estimations de positionnement successives du GPS 10. A cet effet, les moyens de calcul 12 effectuent la succession d'étapes alternatives suivantes : - à la réception d'une estimation de positionnement du GPS 10, les moyens de calcul 12 estiment l'expression K(B, 17GPS ) = e+rixg (6) Il VGPS II dans laquelle VGPS est la vitesse estimée à partir de mesures du GPS 10, - et, entre deux estimations de positionnement du GPS 10 successives, lesdits moyens de calcul 12 utilisent la valeur de l'expression K(B, V), estimée à la précédente estimation de positionnement du GPS 10, pour estimer la norme 11Vmag il de la vitesse linéaire du mobile 3, à partir des mesures du magnétomètre 9 et des gyromètres 11a, llb et 11c, par la formule : IlVmag II = 11K(1,V----Gps)11 (7) Comme le montre la figure 2, le système selon l'invention comporte de plus un dispositif de recalage de position 13, par exemple disposé dans le boîtier 8, permettant de recaler les estimations de position et de vitesse du GPS 10 à l'aide de l'estimation magnétométrique Il vinag Il délivrée par les moyens de calcul 12. Sur la figure 3, on a illustré schématiquement le fonctionnement du dispositif de recalage 13, qui : - du magnétomètre 9 et des gyromètres 11a, 11b, 11c, reçoit une trajectoire 14, précise, mais de position et de cap inconnus (schéma A) ; - du récepteur GPS 10, reçoit un ensemble de positions absolues 15 peu précises (schéma B) ; et - recale la trajectoire 14 sur les positions 15 (schéma C). Le dispositif de recalage de position 13 peut, de plus, recevoir des informations supplémentaires 16 provenant par exemple de capteurs et de dispositifs (non représentés) tels que accéléromètres, altimètres, compteur de pas, caméras, télémètres, dispositif de "map matching", etc... Comme le montre également la figure 2, les estimations de position et de vitesse recalées par le dispositif 13 sont transmises au mobile 3, par l'intermédiaire d'une interface 17. Eventuellement, comme l'illustre la figure 4, le harnais 1 peut être aménagé pour former un sac à dos 18. REVENDICATIONS1. Système pour le positionnement d'un mobile terrestre, notamment un piéton (3), ledit système comportant un récepteur de positionnement satellitaire (10) délivrant des estimations satellitaires de la position et de la vitesse linéaire dudit mobile, caractérisé en ce qu'il comporte : - un unique magnétomètre 3-axes (9) délivrant, selon trois axes (Ox, 0y, Oz) dudit mobile, des mesures du champ magnétique environnant ; des moyens de calcul (12) pour calculer, à partir desdites mesures délivrées par ledit magnétomètre (9), une estimation magnétométrique de la vitesse linéaire dudit mobile ; et - des moyens de recalage (13) pour recaler lesdites estimations satellitaires de la position et de la vitesse linéaire dudit mobile à l'aide de ladite estimation magnétométrique de la vitesse linéaire dudit mobile. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des gyromètres (1 1 a, 11 b, 11c) délivrant une estimation de la vitesse de rotation dudit mobile qui est prise en compte par lesdits moyens de calcul dans le calcul de ladite estimation magnétométrique de la vitesse linéaire dudit mobile. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour calculer ladite estimation magnétométrique de la vitesse linéaire dudit mobile, lesdits moyens de calcul (12) mettent en oeuvre la formule : 25+ TI> x x11v11 x IIVII (4) dans laquelle : - ri et B représentent respectivement ledit champ magnétique environnant, dont les mesures sont délivrées par ledit magnétomètre, et la dérivée dudit champ magnétique environnant par rapport au temps ;- St représente la vitesse de rotation dudit mobile, dont la mesure est délivrée par lesdits gyromètres ; - Vil représente la matrice jacobienne dudit champ magnétique il ; - V représente la vitesse linéaire dudit mobile, dont l'estimation est délivrée par le récepteur des positionnements satellitaires ; et - IIVII représente la norme de ladite vitesse linéaire magnétogyrométrique. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la dérivée B du champ magnétique par rapport au temps est délivrée par ledit magnétomètre 3-axes (9). 5. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la dérivée B du champ magnétique par rapport au temps est calculée par lesdits moyens de calcul (12) à partir des mesures du champ magnétique il délivrées par ledit magnétomètre 3-axes (9). 6. Système selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé, - en ce que la fréquence des estimations satellitaires de positionnement est inférieure à la fréquence des mesures du magnétomètre 3-axes et à la fréquence des mesures des gyromètres ; - en ce que la matrice jacobienne DÉ est constante entre deux estimations satellitaires de positionnement successives ; et - en ce que la direction de la vitesse Vdu mobile ne varie pas entre deux estimations satellitaires de positionnement successives. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il effectue la succession d'étapes alternatives suivantes : - à la réception d'une estimation satellitaire de positionnement, l'expression K(11, V) est estimée à l'aide de la formule : K(:94,-V ' ) = (6) s 11vGps11 dans laquelle VGPS est l'estimation satellitaire de la vitesse.entre deux estimations satellitaires de positionnement successives, la valeur de l'expression K(B, V), estimée à la précédente estimation satellitaire de positionnement à l'aide de la formule (6), est utilisée pour estimer la norme IIVmagII de la vitesse linéaire à partir des mesures magnétométriques et des mesures gyrométriques selon la formule e+1-1.x/3.1I liVmag II = 11K(B,vGps) Il (7) 8. Système selon l'une des revendications 1 à 7, adapté à un piéton, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un support qui est attaché rigidement au torse dudit piéton et qui porte au moins en partie ledit système. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, une paire de lunettes (2) qui est adaptée audit piéton (3) et, d'autre part, un harnais (1) à bretelles (4) qui est attaché rigidement au torse dudit piéton (3). 10. Système selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit récepteur de positionnement satellitaire est celui d'un smartphone porté par ledit mobile. 11. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le récepteur de positionnement satellitaire présente des performances meilleures que celles d'un smartphone et est porté par ledit harnais, les antennes (6) dudit récepteur de positionnement satellitaire étant disposées à la partie supérieure des bretelles dudit harnais. 12. Système selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que ledit harnais forme un sac à dos.