Brevet FR3027118A1 — publié le 20160415

La présente invention concerne la navigation de véhicule et plus particulièrement la navigation au moyen d'une centrale inertielle. Il existe des véhicules qui sont équipés d'une centrale inertielle utilisée à des fins de navigation. Une telle centrale inertielle comprend une unité de traitement reliée à des accéléromètres et des gyroscopes ou gyromètres disposés selon des axes d'un repère de mesure pour détecter respectivement des accélérations le long de ces axes et une grandeur angulaire, comme la position ou la vitesse, autour de ces axes. A partir de ces mesures, l'unité de traitement est agencée pour déterminer une attitude du véhicule porteur (en roulis, tangage et lacet), une position du véhicule et un cap suivi par le véhicule. Or, une centrale inertielle présente des erreurs (décalages et dérives) qui affectent la précision des mesures et qui sont variables avec le temps, et le coût d'une centrale inertielle est directement lié aux perfor- mances des capteurs (accéléromètres et capteurs angu- laires) qui la composent de sorte que l'utilisation de capteurs plus précis peut rapidement augmenter le coût d'une centrale inertielle. Lorsque le véhicule est équipé d'un récepteur de signaux satellitaires de géolocalisation, par exemple de type GPS, il est connu de recaler périodiquement la centrale inertielle en utilisant les signaux satellitaires de géolocalisation. Or, il est possible que la réception de signaux satellitaires ne soit pas possible sur de longues périodes (le récepteur est masqué vis-à-vis des satellites par le relief et la végétation par exemple, ou bien encore brouillé). Le maintien du suivi de la position et du cap du véhicule repose alors uniquement sur les performances des capteurs (accéléromètres, gyros- copes) de la centrale inertielle. 3027118 2 Il est aussi connu de recaler la centrale inertielle en utilisant des signaux provenant d'autres capteurs comme un magnétomètre. Un tel capteur est cependant perturbé par les masses métalliques importantes telles 5 que la carrosserie d'un véhicule de sorte que le recalage réalisé manque de précision. Il existe donc un besoin d'améliorer les perfor- mances des centrales inertielles sans recourir à des composants notablement plus coûteux. 10 A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé de navigation d'un véhicule embarquant une centrale inertielle, comprenant l'étape de calculer des positions et des caps successifs du véhicule à partir de signaux de la centrale inertielle. Le procédé comprend en 15 outre les étapes de : - détecter au moins une période d'immobilité du véhicule en cap et en position ; - traiter les signaux qui sont fournis par la centrale inertielle pendant chaque période d'immobilité 20 pour déterminer une erreur de la centrale inertielle ; - tenir compte de l'erreur déterminée dans le calcul de la position et du cap du véhicule à partir des signaux de la centrale inertielle. En l'absence d'erreur et lorsque le véhicule est 25 immobile tant en position qu'en cap, la centrale iner- tielle doit fournir des signaux représentatifs de cet état du véhicule. Ainsi, si la centrale inertielle fournit, lorsque le véhicule est immobile tant en position qu'en cap, des signaux représentatifs d'un mouvement du 30 véhicule, ces signaux sont en réalité représentatifs de l'erreur qui affecte les capteurs de la centrale inertielle. Il est alors possible de déterminer cette erreur et d'en tenir compte pour calculer plus précisément la position et le cap du véhicule. 35 L'invention a également pour objet un dispositif 3027118 de navigation agencé pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention concerne en outre un véhicule intégrant un tel dispositif de navigation. D'autres caractéristiques et avantages de 5 l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence à la figure unique annexée est une vue schématique de dessus d'un véhicule conforme 10 à l'invention. En référence aux figures, l'invention ici décrite est mise en oeuvre dans un véhicule terrestre V à moteur, de type voiture, comportant des compteurs, à savoir un compteur kilométrique de type odomètre Cl et un compteur 15 de vitesse (tachymètre ou cinémomètre) C2. La voiture V embarque un dispositif de navigation, généralement désigné en 1, comportant une unité de traitement 2 reliée à une centrale inertielle 3 et à un récepteur 4 de signaux satellitaire de géolocalisation 20 (par exemple de type GPS). Le récepteur 4 et le traite- ment des signaux satellitaires à des fins de géolocalisation et de navigation sont connus en eux-mêmes et ne seront donc pas détaillés ici. Le dispositif de navigation est en outre relié aux compteurs Cl, C2 (en variante, le 25 dispositif de navigation peut n'être relié qu'à l'un de ces capteurs). La centrale inertielle 3 comprend de façon connue en elle-même des capteurs accélérométriques linéaires et des capteurs angulaires, de type gyroscope ou gyromètre, 30 qui sont disposés selon les axes d'un repère de mesure. La centrale inertielle 3 et le traitement des signaux fournis par ladite centrale inertielle 3 aux fins de na- vigation sont connus dans leurs principes et ne seront détaillés que dans la mesure où cela est nécessaire pour 35 la compréhension de l'invention. 3027118 4 L'unité de traitement 2 comprend des moyens informatiques programmés pour mettre en oeuvre un algorithme de fusion de données, ici un filtre de Kalman, et exécuter le procédé de navigation décrit ci-après. 5 Dans son mode de fonctionnement nominal, le pro- cédé de navigation comprend l'étape de calculer des posi- tions et des caps successifs du véhicule à partir de signaux provenant de la centrale inertielle. Ces calculs successifs sont réalisés via le filtre de Kalman de ma- 10 nière connue en elle-même. Le procédé de l'invention comprend en outre les étapes de : - détecter des périodes d'immobilité du véhicule en cap et en position ; 15 - traiter les signaux qui sont fournis par la centrale inertielle 3 pendant chaque période d'immobilité et qui indiquent un mouvement du véhicule pour déterminer une erreur de la centrale inertielle 3 ; - tenir compte de l'erreur déterminée dans le 20 calcul de la position et du cap du véhicule à partir des signaux de la centrale inertielle 3. La détection de l'immobilité en position est ef- fectuée en exploitant les signaux du compteur de vitesse C2 et/ou de l'odomètre Cl du véhicule V, et également les 25 signaux provenant de la centrale inertielle 3. De préférence, la détection de l'immobilité en position comprend les phases de : - intégrer des signaux issus de capteurs accélérométriques et de capteurs angulaires de la centrale 30 inertielle, dans un repère tournant selon une orientation détectable des capteurs angulaires, pour obtenir un si- gnal brut d'accélération, vitesse et position pendant une durée prédéterminée, - enregistrer le signal brut d'accélération, vi- 35 tesse et position pendant cette durée prédéterminée, 3027118 5 - déterminer les paramètres d'un signal théorique de modélisation du signal brut d'accélération, vitesse et position en fonction d'un modèle prédéterminé d'erreur en l'absence de mouvement, 5 - calculer un signal résiduel entre le signal théorique de modélisation et le signal brut d'accélération, vitesse et position, - détecter une immobilité lorsque le signal résiduel est inférieur à un seuil limite prédéterminé. 10 Une fois que l'immobilisation en position est dé- tectée, la détection de l'immobilité en cap est amorcée. On notera que le fait que la détection de l'immobilité en cap et en position comprenne une première phase de détection de l'immobilité en position et une deuxième phase de 15 détection de l'immobilité en cap, la deuxième phase n'étant réalisée que si la première phase est validée, permet de gagner du temps et de limiter les calculs en cas de mobilité. La détection de l'immobilité en cap est effectuée 20 en surveillant la stabilité de la sortie du capteur angu- laire vertical pendant la période d'immobilité. On néglige la partie constante de la sortie car on ne peut la distinguer d'une erreur du capteur angulaire vertical. La détection d'immobilité est de préférence effectuée au 25 moyen du procédé du document US-A-20120185205 en calcu- lant des résidus sur la sortie du capteur angulaire vertical et sur l'intégration temporelle de cette sortie. Toutefois, cette méthode ne permet pas de déterminer la nature des mouvements éventuels auxquels serait soumis le 30 véhicule alors que des mouvements de hautes fréquences, à moyenne nulle, ne perturbent pas la calibration des erreurs des capteurs qui sera effectuée par la suite ; tandis que des mouvements basses fréquences seront eux gênants. On calcule donc en outre un paramètre de stabilité 35 du signal, ici une variance d'Allan, sur les résidus cal- 3027118 6 cules puis une différence entre la variance d'Allan calculée et une variance d'Allan théorique lorsque le cap est immobile : l'immobilité du cap est confirmée si la variance d'Allan est inférieure à un seuil prédéterminé. 5 Ainsi, la détection de l'immobilité en cap com- prend les phases de : - intégrer les signaux issus des capteurs accélé- rométriques et des capteurs angulaires de la centrale inertielle 3, dans un repère tournant selon une orienta- 10 tion détectable des capteurs angulaires, pour obtenir un signal brut d'accélération, vitesse, cap, roulis et tangage pendant la durée de la période d'immobilité en position, - enregistrer le signal brut de cap pendant cette 15 durée, - déterminer les paramètres d'un signal théorique de modélisation du signal brut de cap en fonction d'un modèle prédéterminé d'erreur en l'absence de mouvement, - calculer un signal résiduel entre le signal 20 théorique de modélisation et le signal brut de cap, - calculer une variance d'Allan à partir du signal résiduel, - calculer une différence entre la variance d'Allan calculée et une variance d'Allan théorique lors- 25 que le cap est immobile, - confirmer l'immobilité du cap si la différence est inférieure au seuil prédéterminé. Il sera veillé à choisir un seuil qui ne soit ni trop faible ni trop élevé : si le seuil est trop élevé, 30 une immobilité sera détectée alors qu'en réalité le véhi- cule est en mouvement (vibrations du moteur, passager montant dans le véhicule...) ; si le seuil est trop faible, il ne sera jamais détecté d'immobilité. Pour le calcul de la variance d'Allan, on choisit par exemple une 35 période d'échantillonnage d'une seconde, ce qui permet de 3027118 7 moyenner la partie du signal correspondant aux mouvements de hautes fréquences. La variance d'Allan sera de préfé- rence calculée au moins en angle de cap et en vitesse an- gulaire de cap. Ce procédé est appliqué également aux ac- 5 célérations géographiques et aux vitesses géographiques pour détecter et/ou confirmer l'immobilité en position. La prise en compte de l'erreur comprend l'étape de déterminer une évolution temporelle de l'erreur à par- tir du modèle d'erreur des capteurs de la centrale mer- 10 tielle et l'étape d'intégrer dans le temps l'erreur pour déterminer le cap réellement suivi. Ces modèles d'erreur sont élaborés de manière empirique à partir d'essais me- nés de manière à pouvoir déterminer la variation tempo- relle des erreurs. Le modèle d'erreur et les mesures ef- 15 fectuées lors des périodes d'immobilité permettent de re- construire la dérive de performance des capteurs (et plus précisément le capteur angulaire d'axe vertical) au cours du temps. Il est dès lors possible de déterminer l'erreur de navigation qu'a causé l'erreur des capteurs et de la 20 corriger et donc de déterminer la position réelle du vé- hicule V. La correction est ici réalisée au moyen du filtre de Kalman qui contient les modèles temporels d'erreur des capteurs et les modèles temporels des erreurs de naviga- 25 tion et à qui l'on fournit les mesures effectuées pendant les périodes d'immobilité et les mesures de l'odomètre Cl et du compteur de vitesse 02, ainsi que les mesures issues des signaux satellitaires de géolocalisation. Pour assurer une bonne précision du procédé de 30 l'invention, on prévoit de préférence un arrêt de dix à trente secondes toutes les vingt minutes environ. Il est entendu que, plus les arrêts sont nombreux et longs, et plus le procédé est précis. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux 35 modes de réalisation décrits mais englobe toute variante 3027118 8 entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, le dispositif de navigation peut avoir une structure différente de celle décrite et le vé- 5 hicule peut être d'un autre type qu'une voiture. Le véhi- cule peut être un véhicule avec ou sans présence humaine à bord. Le dispositif de navigation peut ne pas être relié aux compteurs du véhicule. 10 La détection de l'immobilité en position peut dé- terminée en surveillant la stabilité de la sortie des capteurs et compteurs, sur le même principe que la détection de l'immobilité en position. Ainsi, au lieu de comparer directement le signal résiduel à un seuil, une va- 15 riance d'Allan est calculée à partir du signal résiduel, et l'immobilité de la position est confirmée si la différence entre la variance d'Allan calculée et une variance d'Allan théorique lorsque la position est fixe est inférieure à un seuil prédéterminé. 20 En variante, la détection de l'immobilité du vé- hicule V est effectuée en exploitant les signaux d'un récepteur de signaux de géolocalisation par satellite. La détection d'immobilité peut utiliser tout ou partie des signaux de la centrale inertielle. 25 En variante encore, le calcul de la variance d'Allan est omis pour la détection de l'immobilité en cap. La détection se termine alors par la phase de détecter une immobilité lorsque le signal résiduel est inférieur à un seuil limite prédéterminé. Le seuil limite est 30 par exemple calculé pour prendre en compte une valeur d'écart-type du bruit des capteurs accélérométriques et angulaires comme indiqué dans le document US-A20120185205. REVENDICATIONS1. Procédé de navigation d'un véhicule embarquant une centrale inertielle, comprenant l'étape de calculer des positions et des caps successifs du véhicule à partir de signaux de la centrale inertielle, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : - détecter au moins une période d'immobilité du véhicule en cap et en position ; - traiter les signaux qui sont fournis par la centrale inertielle pendant chaque période d'immobilité pour déterminer une erreur de la centrale inertielle ; tenir compte de l'erreur déterminée dans le calcul de la position et du cap du véhicule à partir des signaux de la centrale inertielle. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détection de l'immobilité en position est effectuée en exploitant notamment les signaux d'un capteur du véhicule tel qu'un compteur de vitesse ou un odomètre. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détection de l'immobilité en position est effectuée en exploitant les signaux d'un récepteur de signaux de géolocalisation par satellite. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détection de l'immobilité en cap comprend les phases de : - intégrer des signaux issus de capteurs accélérométriques et de capteurs angulaires de la centrale inertielle, dans un repère tournant selon une orientation détectable des capteurs angulaires, pour obtenir un si- gnal brut de cap pendant une durée prédéterminée, - enregistrer le signal brut de cap pendant cette durée prédéterminée, - déterminer les paramètres d'un signal théorique de modélisation du signal brut de cap en fonction d'un 3027118 10 modèle prédéterminé d'erreur en l'absence de mouvement, - calculer un signal résiduel entre le signal théorique de modélisation et le signal brut de cap. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel 5 l'étape de détection comprend ultérieurement la phase de : - détecter une immobilité lorsque le signal résiduel est inférieur à un seuil limite prédéterminé. 6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel 10 la détection de l'immobilité en cap comprend ultérieure- ment une phase de calcul d'une variance d'Allan à partir du signal résiduel, une phase de calcul d'une différence entre la variance d'Allan calculée et une variance d'Allan théorique lorsque le cap est immobile, et une 15 phase de confirmation de l'immobilité du cap si la diffé- rence est inférieure à un seuil prédéterminé. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détection de l'immobilité en position comprend les phases de : 20 - intégrer des signaux issus de capteurs accélé- rométriques et de capteurs angulaires de la centrale inertielle, dans un repère tournant selon une orientation détectable des capteurs angulaires, pour obtenir un signal brut d'accélération, vitesse et position pendant une 25 durée prédéterminée, - enregistrer le signal brut d'accélération, vitesse et position pendant cette durée prédéterminée, - déterminer les paramètres d'un signal théorique de modélisation du signal brut d'accélération, vitesse et 30 position en fonction d'un modèle prédéterminé d'erreur en l'absence de mouvement, - calculer un signal résiduel entre le signal théorique de modélisation et le signal brut d'accélération, vitesse et position. 35 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel 3027118 11 l'étape de détection comprend ultérieurement la phase de : - détecter une immobilité lorsque le signal résiduel est inférieur à un seuil limite prédéterminé. 5 9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la détection de l'immobilité en position comprend ultérieurement une phase de calcul d'une variance d'Allan à partir du signal résiduel, une phase de calcul d'une différence entre la variance d'Allan calculée et une va- 10 riance d'Allan théorique lorsque la position est fixe, et une phase de confirmation de l'immobilité de la position si la différence est inférieure à un seuil prédéterminé. 10. Procédé selon la revendication 1, dans le- 15 quel la détection de l'immobilité en cap et en position, comprend une première phase de détection de l'immobilité en position et une deuxième phase de détection de l'immobilité en cap, la deuxième phase n'étant réalisée que si la première phase est validée. 20 11. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la prise en compte de l'erreur comprend une étape de déterminer une évolution temporelle de l'erreur à partir d'un modèle d'erreur de la centrale inertielle et l'étape d'intégrer dans le temps l'erreur pour déterminer le cap 25 réellement suivi. 12. Dispositif de navigation comprenant une centrale inertielle, le dispositif étant agencé pour mettre en oeuvre un procédé de navigation conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 30 13. Véhicule équipé d'un dispositif de navigation qui comporte une centrale inertielle et qui est agencé pour mettre en oeuvre un procédé de navigation conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 11.