Brevet FR3068477A1 — publié le 20190104

Domaine technique La présente invention concerne le domaine général des systèmes de guidage et de positionnement destinés à garantir une connaissance précise et un déplacement contrôlé de mobiles relativement à des bases permettant un repérage fiable dans l'espace de navigation associé. L'invention concerne plus particulièrement un système de guidage permettant la correction ou le remplacement des données de type GPS, susceptibles de subir une dérive au cours du temps, afin d'optimiser les conditions et procédures de déplacement desdits mobiles (stations navigantes). Technique antérieure Les systèmes de guidage actuels mettent le plus souvent en oeuvre un système de positionnement par GPS. De ce fait, ils présentent un désavantage majeur : lorsque le système GPS ne fonctionne pas ou est indisponible (tunnel, déplacement en intérieur), le système de guidage doit continuer à fonctionner à l'aide des autres capteurs éventuellement disponibles (par exemple des accéléromètres, des caméras...) et qui sont le plus souvent sujets à des dérives instrumentales importantes. A titre d'exemple, le document EP 1 926 007 présente un procédé et un système de navigation pour un véhicule aérien sans pilote en milieu urbain. Le procédé comprend entre autre une étape de capture d'un premier ensemble d'images présentant des repères (tags) obtenus via le système de positionnement global GPS lors d'un survol initial de l'environnement urbain à une première altitude. Un deuxième ensemble d'images est capturé lors d'un survol ultérieur de l'environnement urbain à une deuxième altitude qui est inférieure à la première altitude. La position réelle du véhicule aérien par rapport aux positions relevées par GPS est calculée en fonction des caractéristiques d'images obtenues à partir des deux ensembles d'images. Un tel exemple démontre la complexité (nécessité de deux survols) et les surcoûts de tels systèmes principalement 5 basés sur la technologie GPS. Exposé de l'invention La présente invention vise ainsi à proposer un système de positionnement mieux adapté aux contraintes multiples 10 qu'il est possible de rencontrer lorsque l'on cherche à faire évoluer une station navigante (un mobile) dans un environnement présentant de fortes contraintes (intérieur, intempéries, défaillance de balises externes...). Le développement d'un système de guidage combinant 15 diverses technologies, de manière à assurer à la fois une couverture spatiale étendue et un positionnement très précis (de l'ordre du centimètre), présente un intérêt majeur. Pour cela, il est proposé, conformément à l'invention, un système de guidage pour un ensemble station de base - 20 station navigante, remarquable en ce qu'il comprend : - au moins une station de base, ladite station de base comprenant au moins un calculateur de données et un système de positionnement primaire incluant au moins un moyen de positionnement primaire parmi : 25 - moyen de positionnement par ultrasons, - moyen de positionnement par technologie ultra large bande, - moyen de positionnement par mesures inertielles, 30 - moyen de positionnement par système GPS, ledit calculateur de données étant configure pour traiter les données en provenance au moins dudit système de positionnement primaire et d'au moins une station navigante, ledit système de positionnement primaire possédant une zone de couverture associée, et ladite station de base étant apte à fournir au moins une information de positionnement à au moins 5 une station navigante dudit système de guidage lorsque cette dernière est située dans ladite zone de couverture, - au moins une station navigante apte à communiquer au moins avec une station de base dudit système de 10 guidage, ladite station navigante comprenant au moins un système de positionnement secondaire incluant au moins un moyen de positionnement secondaire parmi : - moyen de positionnement par ultrasons, - moyen de positionnement par technologie 15 ultra large bande, - moyen de positionnement par mesures inertielles, et un module de gestion de données configure pour traiter les données en provenance au moins dudit 20 système de positionnement secondaire et d'au moins une station de base. Dans le cadre de la présente invention, le terme « moyen de positionnement » entend désigner indifféremment l'émetteur ou le récepteur permettant le positionnement. 25 Ladite station de base comprend au moins un calculateur de données assurant le calcul et la gestion de données obtenues a partir au moins des différents récepteurs, capteurs et moyens de positionnement dont est munie ladite station de base. Préférentiellement, ledit calculateur de 30 données est également apte à recevoir et traiter des données provenant d'au moins une autre station de base et/ou d'au moins une station navigante. Encore plus préférentiellement, ledit calculateur de données est apte à fusionner les données en provenance de multiples capteurs, internes et/ou externes à ladite station de base. Le calculateur de données peut par exemple entre autres: - estimer et transmettre (via un émetteur) une information de positionnement et/ou une solution 5 de navigation correspondant à une ou des stations navigantes, et/ou - contrôler et corriger le trajet d'une ou plusieurs stations navigantes (l'envoi des informations s'effectue également via un émetteur appartenant 10 à ladite station de base), et/ou - calculer et gérer des données en collaboration ou en remplacement d'une autre station de base (la communication des informations s'effectue par exemple via un émetteur ou par réseau filaire). 15 Le calculateur de données choisi le moyen de transmission le plus adapté (moyen interne à la station ou moyen distant appartenant à une autre station) en fonction de l'information à transmettre ainsi qu'en fonction du ou des moyens de transmission disponibles au niveau de la station 20 de base. La station de base comprend également un système de positionnement primaire. Celui-ci inclus au moins un moyen de positionnement primaire parmi : - un moyen de positionnement par ultrasons 25 (émetteurs et/ou récepteurs), - moyen de positionnement par technologie ultra large bande UWB (émetteurs et/ou récepteurs), - moyen de positionnement par mesures inertielles, - moyen de positionnement par système GPS 30 (récepteurs). Ledit moyen de positionnement par ultrasons présente un avantage à courte portée, puisqu'il garantit une précision centimétrique très appréciable par exemple lors de manoeuvres délicates telles qu'un atterrissage. Ledit moyen de positionnement par technologie ultra large bande permet une communication radio de moyenne portée 5 (de l'ordre de 10 à 200 mètres). Cette technologie garantit une précision comprise généralement entre 10 et 50 centimètres et un fonctionnement même en cas de présence d'obstacles entre la station de base et la station navigante. Les erreurs de positionnements provoqués par ce moyen de 10 positionnement sont donc faibles. Ledit moyen de positionnement par mesures inertielles met en oeuvre au moins un ensemble d'accéléromètre(s) et/ou gyroscope(s). Il peut s'agir d'une unité dédiée aux mesures inertielles (IMU : ensemble de capteurs accéléromètre(s)- 15 gyroscope(s)), ou d'un système de navigation inertielle (INS, comprenant une unité IMU et un processeur gérant l'estimation de paramètres de navigation). Cette technologie garantit une fréquence d'actualisation de l'information très importante (supérieure à 100 Hz) et fourni de ce fait une information 20 de position avec une grande réactivité. Néanmoins, l'information de position obtenue dérive rapidement avec le temps. Ledit système de positionnement primaire possède ainsi 25 une zone de couverture associée, plus ou moins étendue en fonction du ou des moyens de positionnement qui le composent. De ce fait, la combinaison dudit moyen de positionnement par mesures inertielles avec un autre moyen de positionnement (ultrasons, ultra large bande...) permet à la fois d'accomplir 30 d'éventuelles corrections des informations de position et également d'obtenir une zone de couverture plus étendue. La station de base est apte à fournir au moins une information de positionnement au moins à une station navigante dudit système de guidage lorsque cette dernière est située dans ladite zone de couverture. Avantageusement, ladite station de base peut en outre communiquer avec au moins une autre station de base. Avantageusement, ladite station de base peut être fixe ou 5 mobile. De façon tout à fait préférée, ladite station de base est mobile. Dans le cadre de ce dernier mode de réalisation, on peut notamment citer le cas des stations de base flottante ou les stations de base associées à un véhicule. 10 Ladite station navigante est apte à communiquer au moins avec une station de base dudit système de guidage. Avantageusement, ladite station navigante peut en outre communiquer avec au moins une autre station navigante. Ladite station navigante est mobile. Par exemple, la 15 station navigante est un drone. Ladite station navigante comprend au moins un module de gestion de données apte à gérer les données issues de d'au moins un élément parmi : la station navigante elle-même, au moins une station de base, au moins une autre station 20 navigante. Ladite station navigante comprend en outre un système de positionnement secondaire incluant au moins un moyen de positionnement secondaire parmi : moyen de positionnement par ultrasons, moyen de positionnement par technologie ultra 25 large bande, moyen de positionnement par mesures inertielles. Les variantes les plus simples de l'invention prévoient la combinaison de technologies complémentaires (ultrasons, UWB, INS) tant en termes de portée de communication que de 30 précision spatiale. Cette combinaison de technologies affranchi l'utilisateur du besoin d'un système GPS, dont les signaux sont parfois difficiles à capter (présence dense de bâtiments, intempéries climatiques, zones reculées avec obstacles comme par exemple en zone montagneuse), et rend par - 7 - là-même l'invention utilisable tant en intérieur qu'en extérieur. Toutefois, dans des variantes avancées de l'invention, 5 ledit système de positionnement secondaire de ladite station navigante comprend en outre un moyen de positionnement secondaire par système GPS. Dans d'autres variantes préférées de l'invention, ledit système de positionnement secondaire de ladite station 10 navigante comprend en outre à la fois un moyen de positionnement secondaire par système GPS et un module de correction ou de substitution de données GPS apte à substituer, au niveau dudit module de gestion de données, de nouvelles données de positionnement aux données de 15 positionnement obtenues via ledit moyen de positionnement secondaire par système GPS. La substitution (de nouvelles données de positionnement aux données de positionnement obtenues via ledit moyen de positionnement secondaire par système GPS) peut entre autres 20 s'effectuer : - en cas de déviation des données GPS obtenues via ledit moyen de positionnement secondaire par système GPS, - afin de prendre le contrôle d'une station 25 navigante (par exemple en cas d'urgence) afin de modifier le comportement de ladite station navigante. Avantageusement, lesdites nouvelles données substituées proviennent au moins d'une source parmi : ledit 30 module de gestion de données (calcul interne à ladite station navigante), au moins une station de base, au moins une autre station navigante distante. Le système de guidage selon l'invention permet l'optimisation de la communication entre station(s) de base et station(s) navigante(s). Avantageusement, selon une variante préférée de 5 l'invention, ledit module de gestion de données de ladite station navigante comprend un module d'autopilotage. Avantageusement, dans certaines variantes avancées de l'invention, la station navigante et/ou la station de base comprend un système d'apprentissage destiné à interagir avec 10 le module d'autopilotage au cours du temps. Avantageusement, ledit système d'apprentissage est apte à comparer des informations de navigation (par exemple entre autres : trajectoire, position, vitesse...) stockées dans le module de gestion de données avec les informations de position 15 provenant en temps réel desdits moyens de positionnement, afin de déterminer l'erreur de positionnement à chaque instant et en toute position, et apte à générer et fournir des signaux de commande correctifs de navigation (par exemple entre autres : trajectoire, position, vitesse...) audit module 20 d'autopilotage. Ledit système d'apprentissage est particulièrement avantageux dans le cas d'une station de base mobile. Par exemple, une station de base flottant sur une mer ou un océan qui va se déplacer de façons plus ou moins régulières en fonction des vagues. Le système d'apprentissage 25 va pouvoir enregistrer ces mouvements, analyser leur récurrence, calculer et prédire les moments optimaux (e.g. en terme de stabilité) et la position de ladite station à ce moment optimal pour l'atterrissage. 30 Selon une variante tout à fait préférée de l'invention, ledit module de correction ou de substitution de données GPS fourni à l'autopilote les nouvelles données de positionnement substituer, ces nouvelles données étant obtenues par communication au moins avec au moins un système de positionnement primaire. Alternativement, les nouvelles données sont obtenues par communication avec un système de positionnement primaire et un système de positionnement secondaire (d'au moins une autre 5 station navigante). Selon une autre variante de l'invention, ledit module de correction ou de substitution de données GPS fourni à l'autopilote les nouvelles données de positionnement à 10 substituer, obtenues par traitement interne (calcul par ledit module de gestion de données de la station navigante) : - des données issues du moyen de positionnement secondaire par système GPS, et - des données obtenues par communication avec au 15 moins un système de positionnement primaire. Avantageusement, les nouvelles données sont obtenues par traitement interne (calcul par ledit module de gestion de données de la station navigante) : - des données issues du moyen de positionnement 20 secondaire par système GPS, et - des données obtenues par communication avec au moins un système de positionnement parmi : système de positionnement primaire (d'au moins une station de base), système de positionnement secondaire 25 (d'au moins une autre station navigante). Préférentiellement, ledit moyen de positionnement par ultrasons de ladite station de base comprend au moins deux récepteurs et ledit moyen de positionnement par ultrasons de 30 ladite station navigante comprend au moins un émetteur. Encore plus préférentiellement, ledit moyen de positionnement par ultrasons de ladite station de base comprend au moins trois récepteurs non alignés (c'est-à-dire - 10 - qu'ils ne sont pas placés sur une même droite) et ledit moyen de positionnement par ultrasons de ladite station navigante comprend au moins un émetteur. Optionnellement, ledit moyen de positionnement par 5 ultrasons de ladite station de base comprend au plus huit récepteurs. De même, optionnellement, ledit moyen de positionnement par ultrasons de ladite station navigante comprend au plus quatre émetteurs. 10 Dans des variantes avancées de l'invention, ledit moyen de positionnement par ultrasons de ladite station navigante comprend au moins un émetteur et au moins trois récepteurs et est apte à déterminer la distance et l'orientation de ladite station navigante par mesure de temps de vol. 15 Dans des variantes avancées de l'invention, ledit moyen de positionnement par ultrasons de ladite station navigante comprend au moins deux émetteurs et au moins quatre récepteurs. Dans une variante tout à fait préférée de l'invention, 20 ledit moyen de positionnement par ultrasons de ladite station de base comprend au moins quatre (et préférentiellement seulement quatre) récepteurs et ladite station navigante comprend au moins deux (et préférentiellement seulement deux) émetteurs. 25 Ainsi la présente invention concerne également un ensemble de parties comprenant un système de navigation selon l'invention et comprenant d'une part un atterrisseur de précision comprenant ladite station de base, comprenant quatre récepteurs à ultrasons, et d'autre part une station 30 navigante comprenant deux émetteurs à ultrasons. Avantageusement, les quatre récepteurs à ultrasons sont disposés dans un même plan et répartis aux sommets d'un carré. Cette atterrisseur de précision présente l'avantage de permettre un atterrissage autonome de la station navigant e en l'absence d'interventions extérieurs. Avantageusement, selon l'invention, le système de positionnement primaire est apte à fusionner les données issues des moyens de positionnements (primaire(s) et/ou 5 secondaire(s)). Préférentiellement, cette fusion de données est réalisée par l'emploi d'au moins un filtre de Kalman. Ce filtre est employé afin de combiner de manière optimale les informations redondantes dont dispose le système de guidage (et 10 préférentiellement, plus spécifiquement, ledit calculateur de données). Une telle fusion permet une fréquence d'actualisation rapide (supérieure à 50 Hz) du système de guidage dans son ensemble. 15 Avantageusement, ladite station navigante comprend un moyen de détection et/ou de calcul de son altitude. Préférentiellement, ledit moyen de détection et/ou de calcul de l'altitude est un altimètre. 20 Sur la base des diverses caractéristiques décrivant l'invention, l'Homme du Métier est capable de construire plusieurs variantes de systèmes de guidage. 25 Par exemple, l'invention permet la réalisation d'un dispositif d'atterrissage automatique de précision. Ce dispositif peut par exemple se présenter sous la forme suivante : - une station de base, fixe (au sol) ou mobile 30 (plateforme en déplacement) est apte à transmettre une information de position à la station navigante et comprend au moins : o un calculateur de données, et o un moyen de positionnement par ultrasons - 12 - (trois à huit récepteurs, chaque récepteur constituant un point de référence), et o un moyen de positionnement par mesures inertielles (permettant à la station de base 5 de déterminer ses propres mouvements et adapter l'information de position transmise à la station navigante), - une station navigante apte à communiquer avec ladite station de base et comprenant : 10 o un module de gestion de données, et o un moyen de positionnement par ultrasons (un à quatre émetteurs). Eventuellement, ce dispositif d'atterrissage automatique de précision peut également inclure un moyen de positionnement 15 par technologie ultra large bande (primaire et secondaire), permettant à la station de base de communiquer sur une portée moyenne avec la station navigante afin d'amener globalement cette dernière au-dessus de l'aire d'atterrissage. Puis, à courte portée, le calculateur de donnée permet au moyen de 20 positionnement par ultrason de prendre le relais afin d'apporter la précision nécessaire aux manoeuvres d'atterrissage. Dans les cas où ledit module de gestion de données de ladite station navigante comprend un module d'autopilotage, 25 celui-ci est apte à recevoir toute consigne de montée/descente, toutes corrections horizontales et/ou temporelles nécessaires à la gestion optimale de la navigation. 30 Un second exemple concerne l'emploi d'un module de correction ou de substitution de données GPS apte à substituer de nouvelles données de positionnement aux données de positionnement obtenues via ledit moyen de positionnement secondaire par système GPS. - 13 - La substitution s'effectue au niveau dudit module de gestion de données de la station navigante qui, dans un tel système de guidage à module correctif, comprend entre autres un moyen de positionnement secondaire par système GPS. 5 Dans un tel cas de mise en oeuvre de l'invention, lorsque la station navigante est positionnée à l'extérieur de la zone de couverture de la station de base, elle n'a accès qu'a l'information GPS brute basique fournie par son moyen de positionnement secondaire par système GPS, et éventuellement 10 aux informations fournies par son système de positionnement secondaire. Puis, une fois entrée dans la zone de couverture de ladite station de base, elle a accès à une (ou des) information(s) de positionnement supplémentaire(s). 15 Avantageusement, la station navigante est apte à émettre une requête d'information de position, et/ou à recevoir passivement ladite information. Ainsi, ladite information de position est connue à la fois dans le repère terrestres (coordonnées GPS) ainsi que 20 dans le repère local de la station de base. Dès lors, les coordonnées GPS du centre du repère de la station de base étant connues, il est possible de recorriger les coordonnées GPS absolues et obtenir une meilleure précision. Le système de guidage selon l'invention permet dans ces conditions, 25 d'effectuer un équivalent du système GPS RTK usuel. Par ailleurs, si l'on souhaite positionner la station navigante uniquement par rapport à l'origine du repère local (sans obligatoirement posséder les coordonnées GPS exactes de la station navigante), il n'est pas nécessaire de connaitre 30 les coordonnées GPS de la station de base mais uniquement de faire la relation entre les coordonnées GPS de la station navigante et les coordonnées mesurées, ce qui équivaut à effectuer du « GPS Spoofing ». - 14 - Enfin, selon un troisième exemple de mise en oeuvre de l'invention, il est possible de constituer un système de suivi de cible, basé sur la combinaison entre autres de moyens de positionnement ultra large bande UWB et ultrasons. 5 Ledit système de suivi de cible est préférentiellement indépendant de la technologie de positionnement par système GPS. Dans cet exemple, la station de base (faisant office de cible) dispose d'au moins un récepteur, tandis que la station 10 navigante possède au moins deux émetteurs. La station navigante est avantageusement munie d'un dispositif de mesure de temps de vol par ultrason au sein du moyen de positionnement par ultrasons. Dans une telle configuration, le module de gestion de données 15 de la station navigante est apte d'une part à déterminer la distance et l'orientation de la station navigante relativement à la cible (station de base), et d'autre part à maintenir une distance donnée (constante ou non) avec ladite cible. 20 En outre, la station navigante peut être munie d'un altimètre afin de pouvoir contrôler plus finement sa trajectoire et/ou éviter les obstacles (par exemple, en gardant une altitude constante par rapport au sol). 25 Possibilité d'application industrielle On comprend bien que le système de guidage pour un ensemble station de base - station navigante selon l'invention s'applique bien au guidage de précision de stations navigantes en toutes conditions environnementales, 30 en intérieur et/ou à l'extérieur, et plus particulièrement au guidage de drones lors de manoeuvres de précision telles qu'un évitement d'obstacle, un changement de trajectoire, un atterrissage de précision sur une cible fixe ou mobile. Enfin, il va de soi que la présente invention ne se - 15 - limite pas aux seules formes d'exécution décrites ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application REVENDICATIONS1- Système de guidage pour un ensemble station de base - station navigante, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins une station de base, ladite station de base comprenant au moins un calculateur de données et un système de positionnement primaire incluant au moins un moyen de positionnement primaire parmi : - moyen de positionnement par ultrasons, - moyen de positionnement par technologie ultra large bande, - moyen de positionnement par mesures inertielles, - moyen de positionnement par système GPS, ledit calculateur de données étant configure pour traiter les données en provenance au moins dudit système de positionnement primaire et d'au moins une station navigante, ledit système de positionnement primaire possédant une zone de couverture associée, et ladite station de base étant apte à fournir au moins une information de positionnement à au moins une station navigante dudit système de guidage lorsque cette dernière est située dans ladite zone de couverture, - au moins une station navigante apte à communiquer au moins avec une station de base dudit système de guidage, ladite station navigante comprenant au moins un système de positionnement secondaire incluant au moins un moyen de positionnement secondaire parmi : - moyen de positionnement par ultrasons, - moyen de positionnement par technologie ultra large bande, - moyen de positionnement par mesures inertielles, - 17 - et un module de gestion de données configure pour traiter les données en provenance au moins dudit système de positionnement secondaire et d'au moins une station de base. 5 2- Système de guidage selon la revendication précédente caractérisé en ce que la station navigante et/ou la station de base comprend un système d'apprentissage destiné à 10 interagir avec un module d'autopilotage au cours du temps. 3- Système de guidage selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit système de positionnement secondaire inclus en outre un moyen de 15 positionnement secondaire par système GPS et un module de correction ou de substitution de données GPS apte à substituer, au niveau dudit module de gestion, de nouvelles données de positionnement aux données de positionnement obtenues via ledit moyen de positionnement secondaire par 20 système GPS. 4- Système de guidage selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit module de correction ou de substitution de données GPS fourni à l'autopilote les 25 nouvelles données de positionnement à substituer, obtenues par communication avec au moins un système de positionnement primaire. 30 5- Système de guidage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit moyen de positionnement par ultrasons de ladite station de base comprend au moins quatre récepteurs et en ce que ledit moyen de positionnement par ultrasons de ladite station navigante - 18 - comprend au moins deux émetteurs. 6- Système de guidage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ledit moyen de 5 positionnement par ultrasons de ladite station de base comprend au moins trois récepteurs non alignés et en ce que ledit moyen de positionnement par ultrasons de ladite station navigante comprend au moins un émetteur. 10 7- Système de guidage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de positionnement primaire est apte à fusionner les données issues des moyens de positionnements par l'emploi d'un filtre de Kalman. 15 8- Ensemble de parties comprenant un système de guidage selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend d'une part un atterrisseur de précision comprenant une station de base, comprenant quatre récepteurs 20 à ultrasons disposés dans un même plan et répartis aux sommets d'un carré, et d'autre part une station navigante comprenant deux émetteurs à ultrasons.