Brevet FR3085489A1 — publié le 20200306

Description Titre de l'invention : PROCÉDÉS D'OPTIMISATION DE GÉO- LOCALISATION À L'AIDE D'UN ÉQUIPEMENT ÉLEC- TRONIQUE DE MESURE DE DISTANCE [0001 La présente invention concerne des procédés de géolocalisation à l'aide d'un équipement électronique de mesure de distance. Contexte de l'invention [0002] La géolocalisation à l'aide d'un équipement de mesure de distance utilise une pluralité de mesures de distance à partir d'un noeud vers d'autres noeuds voisins ayant des positions connues afin de déterminer la position du noeud local. De nombreux systèmes de ce type sont connus dans l'état de l'art. Les procédés connus tentent généralement d'obtenir autant de mesures que possible afin de réduire les erreurs par calcul de la moyenne, filtrage et d'autres techniques statistiques et numériques. La précision de la position dans de tels systèmes est améliorée à mesure que le nombre de noeuds augmente, ce qui rend souhaitable d'avoir autant de noeuds que possible. [00031 Avec les technologies connues de mesure de distance pair-à-pair ("peer to peer" en anglais), un noeud peut uniquement mesurer la distance à un autre noeud à la fois. En outre, à moins que plusieurs canaux ne soient utilisés, une seule paire de noeuds à portée de transmissions radioélectriques peut mesurer la distance entre eux à un moment donné, pour éviter les interférences provenant d'autres noeuds utilisant le même spectre radioélectrique. Des techniques de planification et d'arbitrage multiples sont bien connues et pratiquées dans la technique, y compris les TDMA, CDMA et autres. [0004] Dans un système qui tente de collecter toutes les mesures de distance possibles, lorsque N noeuds sont présents, (N*(N-I ))/2 mesures doivent être planifiées et effectuées. Cela signifie que la demande d'utilisation de dispositifs radioélectriques augmente de manière exponentielle avec le nombre de noeuds. L'utilisation de plusieurs canaux radioélectriques peut dans certains cas améliorer la réponse du système, niais cela complique considérablement la planification et ne résout pas fondamentalement le problème. Dans certaines mises en oeuvre, les résultats de telles mesures doivent ensuite être collectés et distribués à tous les noeuds participants afin que chaque noeud puisse déterminer sa position, ce qui peut accroître encore la demande de bande passante. En conséquence, les approches les plus courantes ne sont pas bien adaptées et le temps de réponse du système se dégrade considérablement. lorsque le nombre de noeuds augmente. [00051 Lorsque le nombre de noeuds est réduit, la précision des approches classiques diminue et le système est plus sensible aux erreurs et aux défaillances. [0006] L'invention est basée sur des procédés de géolocalisation qui sélectionnent un petit sous-ensemble des mesures les plus favorables seulement parmi toutes celles disponibles, sur la base de la métrique de confiance divulguée et de la géométrie des positions relatives des noeuds disponibles. Dans de nombreux modes de réalisation, seuls trois mesures maximum sont utilisées pour déterminer la position d'un noeud donné quelconque selon les procédés décrits, tandis que les autres sont écartées. Dans les modes de réalisation à N noeuds, seules (N*3)/2 mesures maximum sont réellement utilisées, ce qui donne une évolutivité potentiellement linéaire par opposition à une évolutivité exponentielle pour les approches classiques. [0007] Il existe le besoin de disposer d'un moyen pour déterminer à l'avance quelles sont les mesures susceptibles d'être les plus favorables et pour effectuer uniquement les mesures demandées, ce qui réduit considérablement l'utilisation de dispositifs radioélectriques. La présente invention enseigne des procédés qui fournissent le moyen souhaité. Résumé de l'invention [0008] Les termes « invention », « l'invention », « cette invention » et « la présente invention » utilisés dans ce brevet sont destinés à se référer globalement à tout l'objet de ce brevet et aux revendications de brevet ci-dessous. Les déclarations contenant ces termes doivent être comprises comme ne limitant pas l'objet décrit ici ou le sens ou la portée des revendications de brevet ci-dessous. Les modes de réalisation de l'invention couverts par ce brevet sont définis par les revendications ci-dessous, et non par ce résumé. Ce résumé est une vue d'ensemble de haut niveau de divers aspects de l'invention et introduit certains des concepts qui sont décrits plus en détail dans la section descriptive détaillée ci-dessous. Le présent résumé n'a pas pour objet d'identifier les caractéristiques clés ou essentielles de l'objet revendiqué, ni d'être utilisé isolément pour déterminer la portée de l'objet revendiqué. L'objet doit être compris par référence à des parties appropriées de la description complète de ce brevet, de tout ou partie des dessins et de chaque revendication. [0009] Le principal but de la présente invention est de réduire de manière significative l'utilisation d'un dispositif radioélectrique requise pour effectuer une géolocalisation pair-à-pair précise d'une pluralité de noeuds, afin d'améliorer l'évolutivité et la réponse globale du système. [0010] La présente invention atteint son but en divulguant des procédés comprenant une séquence d'étapes, en commençant par déterminer lequel parmi un ensemble de noeuds voisins disponibles donne des mesures de distances les plus favorables pour déterminer la position d'un noeud, sélectionner uniquement ces noeuds de mesure de distance, puis effectuer uniquement les mesures de distance sélectionnées. [0011] Plus précisément, l'invention concerne un procédé de détermination d'une nouvelle position d'un noeud n, ledit noeud comportant un dispositif radioélectrique de mesure de distance, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) obtenir une liste de positions d'une pluralité de noeuds voisins, b) analyser la relation géométrique entre les positions de ladite liste et la position prédite du noeud n, c) sélectionner un sous-ensemble des noeuds de ladite liste qui est inférieur au nombre total de noeuds de ladite liste, d) Effectuer des mesures de distance électroniques du noeud n à chaque noeud dudit sous-ensemble de noeuds, e) utiliser les distances obtenues à l'étape d) pour déterminer une nouvelle position du noeud n. [0012] Selon un mode de réalisation particulier, la sélection à l'étape c) est basée sur la relation géométrique la plus favorable entre les noeuds de ladite liste et la position prédite du noeud n. [0013] Selon un mode de réalisation particulier, l'étape a) comprend en outre l'obtention de métriques de confiance correspondantes pour chacune desdites positions de ladite liste, et la sélection à l'étape c) est basée au moins en partie sur lesdites métriques de confiance. [0014] Selon un mode de réalisation particulier, le nombre de noeuds sélectionnés à l'étape c) est de 3 maximum. [0015] Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comprend en outre l'étape f) de transmission desdites distances mesurées audit sous-ensemble de noeuds. [0016] Selon un mode de réalisation particulier, l'étape a) comprend en outre la réception d'une distance préalablement mesurée de l'un au moins parmi une pluralité de noeuds voisins, et comprenant l'étape d) de réalisation de mesures de distance électroniques du noeud n à chaque noeud dudit sous-ensemble de noeuds pour lequel la distance préalablement mesurée n'a pas été reçue à l'étape a). [0017] Selon un mode de réalisation particulier, si le noeud n se déplace, on effectue les étapes a) à e), sinon si le noeud n ne se déplace pas, on n'effectue pas de mesures mais on utilise la position prédite du noeud n comme nouvelle position du noeud n. Brève description des dessins [0018] La présente invention est décrite ici en référence aux dessins suivants : [0019] [fig.1] représente les principaux blocs fonctionnels d'un mode de réalisation illustratif et le flux de données entre eux; 4 100201 lfig.21 est une illustration schématique d'un mode de réalisation des procédés de la présente invention; [00211 Ifig.3.1 illustre l'ambiguïté de la mesure de distance avec un seul noeud de référence disponible, ce qui se traduit par un nombre infini de positions possibles sur la cir- conférence du cercle; [0022] [fig.4] représente la réduction de l'ambiguïté avec deux noeuds de référence disponibles de géométrie favorable, ce qui donne deux positions possibles aux intersections de deux cercles; [0023] [fig.5] représente une réduction supplémentaire de l'ambiguïté à une seule position possible lorsque trois noeuds de référence de géométrie favorable sont disponibles. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention [0024] Le mode de réalisation présenté ici, donné à titre d'illustration, utilise en partie les procédés divulgués dans la demande conjointe en instance, référencée ci-dessus, en particulier les procédés de sélection d'un sous-ensemble de noeuds sur la base de la géométrie et de la confiance, et les procédés de détermination de la position du noeud n avec trois mesures de distance par rapport à d'autres noeuds. Ces procédés sont inclus dans la description suivante à titre de référence, niais ils sortent du cadre de la présente invention. [0025] La portée de la présente invention concerne spécifiquement la séquence de sélection préalable d'un sous-ensemble de noeuds parmi une pluralité de noeuds disponibles, par tout procédé connu ou futur, puis de réalisation de mesures de distance uniquement sur les noeuds sélectionnés, et ensuite de détermination de la position d'un noeud sur la base desdites mesures, par tout procédé connu ou futur. [0026] La figure 1 est un schéma du flux de données global pour un mode de réalisation illustratif de la présente invention. [0027] Afin de déterminer la position d'un noeud, des informations sont collectées auprès d'une variété de capteurs. Dans le contexte du mode de réalisation illustré, les données de position de noeuds voisins et les distances mesurées par rapport à ces noeuds sont considérées comme des entrées de capteur. D'autres capteurs typiques comprennent une unité de mesure inertielle (INIU), un magnétomètre, un altimètre et similaires. [0028] Dans le mode de réalisation illustré, l'IMU et l'altimètre sont contenus dans la partie matérielle d'un noeud. [0029] Les informations sur les emplacements de noeuds voisins sont transmises au noeud par un dispositif'radioélectrique de données. Dans certains modes de réalisation, un seul noeud sera désigné comme gestionnaire de voisinage chargé de collecter et de diffuser périodiquement ces informations entre les noeuds. Dans d'autres modes de réalisation, ces informations peuvent être transférées pair-à-pair de manière collaborative. On connaît de nombreux procédés de transfert d'informations entre une pluralité de noeuds. Les détails de ces procédés sortent du cadre de la présente invention. [0030] Les mesures de distance entre les noeuds sont effectuées au moyen d'un dispositif ra- dioélectrique de mesure de distance. On connaît un certain nombre de ces procédés. Le mode de réalisation illustré utilise des dispositifs radioélectriques de mesure de distance Decawave DWI000, mais un certain nombre d'autres sont facilement disponibles. Capteurs - Altimètre : il fournit une altitude relative. - IMU : L'unité de mesure inertielle telle que le BN0080 est composée d'un accéléromètre, d'un gyroscope et d'un magnétomètre à 3 axes. Ceux-ci sont généralement fusionnés (en interne dans la plupart des IMU modernes) pour fournir des capteurs virtuels tels que l'accélération linéaire et le compteur de pas avec un vecteur de rotation pour transformer l'accélération linéaire avec nord magnétique. - Mesure de distance : le module de mesure de distance (tel qu'un dispositif radioélectrique UWB ou "Ultra Wide Band" en anglais) fournit les distances entre le noeud actuel et les noeuds voisins. - Voisinage : dans le contexte du mode de réalisation illustré, un voisinage est un ensemble de noeuds gérés par un noeud fonctionnant comme gestionnaire de voisinage (NHM). Chaque noeud diffuse ses informations de position via XNet. Le NIIM maintient une base de données de voisinage (NHDB) des noeuds dans son voisinage. Chaque noeud du voisinage reçoit les informations de position pour chacun de ses voisins. Ces informations comprennent : - les coordonnées X, Y, Z où : - X est l'axe Ouest (négatif) et Est (positif), - Y est l'axe Nord (positif} et Sud (négatif), - Z est l'altitude. - Rôle : - Ancre : le noeud stationnaire avec position mesurée avec précision. - Balise : noeud mobile ou stationnaire dont la position est calculée via le posi- tionnement. - Une Balise stationnaire est appelée Fil d'Ariane. - État : mobile ou stationnaire , - Confiance. Confiance : Les valeurs clés de positionnement, telles que les coordonnées et les 6 distances, ont une valeur de confiance associée comprise entre 0,0 et 1,0, 0,0 indiquant l'absence de confiance et 1,0 indiquant une fiabilité absolue. D'autres échelles numériques peuvent être utilisées dans différents modes de réalisation. Chaque fois que le positionnement choisit parmi les noeuds des données pour calculer une estimation de position, il utilise la confiance des données pour choisir les meilleures données (les plus sûres). [0031] Seules les ancres ont une confiance préalablement assignée et constante, fixée à 1.0. La confiance d'une balise est calculée en fonction de la confiance des données reçues des capteurs, de la mesure de distance et des noeuds voisins utilisés pour calculer la position d'une balise. [0032] La confiance dans la position d'une balise peut diminuer avec le temps en raison d'erreurs de données, d'un manque de précision et d'un décalage temporel entre les mises à jour des données ; la confiance diminue avec l'âge des données. Comme mentionné ci-dessus, la confiance n'augmente jamais d'elle-même, elle ne peut augmenter que si la confiance des nouvelles données entrantes est supérieure aux données actuellement disponibles. Modules [0033] Le positionnement comprend les modules suivants : - Système de navigation inertielle (INS) : étant donnée une position de départ, le module INS prend des entrées inertielles de l'IMU et les convertit en décalages X et Y pour calculer une position prédite. - Géométrie : Étant données les positions et les distances du noeud voisin, le module Géométrie calcule au moins une position possible du noeud local. - Mouvement : Étant données (les entrées inertielles, le module de mouvement calcule si le noeud local est en mouvement et calcule la direction de déplacement. Module de géométrie (GEO) : le GEO utilise les positions et les distances de noeuds voisins pour calculer au moins une position possible pour le noeud local. Les positions des noeuds voisins sont fournies par le NHM et les distances par rapport aux noeuds voisins sont fournies par la mesure de distance ; les deux sont délivrées sous forme de lectures de capteurs. Celles-ci sont combinées pour donner une liste de descripteurs de noeuds voisins (ND). [0034] Le GEO recalcule la position estimée au même rythme que la mesure de distance est capable de fournir des mises à jour de distances. Chaque implémentation de noeud peut avoir une technologie de mesure de distance différente et les rythmes de mise à jour varient donc selon le noeud. [0035] Le calcul de position par le GEO est présenté dans l'organigramme de la figure 2 et est résumé ci-dessous : I. Supprimer des voisins inappropriés de la liste ND. Les voisins souhaitables sont ceux qui ont une confiance élevée, des données de position et de distance récentes, et qui sont positionnés favorablement. 2. Calculer la position interpolée des voisins de balise. 3. Trier les listes ND en fonction de la confiance. 4. Sélectionner jusqu'à trois meilleurs voisins en fonction du rôle (préférer les ancres aux balises non mobiles et les balises non mobiles aux balises mobiles) et de la confiance. 5. Effectuer des mesures de distance uniquement par rapport aux noeuds sélectionnés. 6. S'il n'y a que deux voisins, essayer d'utiliser la bilatération pour calculer deux positions possibles. 7. S'il y a trois voisins, essayer d'utiliser la trilatération pour calculer une seule position possible. Si la trilatération échoue, essayer d'utiliser la bilatération sur chaque combinaison de paires de voisins pour calculer plusieurs paires de positions possibles. 8. Signaler la liste des positions possibles au module INS. Chacune des étapes ci-dessus peut mettre fin au calcul en raison du nombre insuffisant de voisins utilisables. Dans de tels cas, le GEO signalera la position précédemment calculée avec une confiance réduite. Ainsi, à mesure que le temps passe sans voisins suffisants, la confiance en la position signalée par GEO diminue. Trilatération/Bilatération [00361 Une ancre et une balise et une distance dl entre elles étant données, tout ce qui est possible de dire est que la balise se trouve quelque part sur le cercle dont le centre est au niveau de l'ancre 1 et dont le rayon est dl (cf figure 3). Ces informations ne sont pas suffisantes pour calculer une liste finie de positions possibles. Cependant, avec la position prédite pP du module INS, il est possible d'ajuster la confiance associée. Si pP se trouve sur le cercle ou à proximité de celui-ci, sa confiance peut être augmentée. Si pP est loin du cercle, sa confiance peut être réduite. [0037] Deux ancres et une balise et les distances dl et d2 par rapport aux ancres étant données, nous pouvons calculer deux positions possibles cP1 et cP2 aux intersections des deux cercles autour des ancres, comme cela est représenté sur la figure 4. Avec une position prédite pP du module INS, la position possible la plus proche peut être choisie par rapport à l'autre (cP2 dans le cas illustré). Comme dans l'exemple précédent, l'étendue de la distance entre cP2 et pP peut être utilisée comme base pour ajuster la confiance. [0038] Avec trois ancres, il est possible de calculer une seule position possible cP de la balise à placer au centre de l'intersection des trois cercles. Ce scénario est illustré sur la figure 5. Comme dans les exemples précédents, l'étendue de la distance entre cP et pP, en particulier en comparaison avec la précision inhérente de la technologie de mesure de distance utilisée, peut être évaluée pour ajuster la confiance. Module de navigation inertielle (INS) [0039] VINS prend les entrées inertielles de l'IMU et les convertit en décalages X et Y et les ajoute à la position précédente pour calculer une nouvelle position prédite et la confiance associée. Une grande quantité d'activité inertielle réduira la confiance, tandis qu'une activité inertielle faible ou non détectée augmentera la confiance dans certains modes de réalisation. [0040] Une deuxième fonction de VINS consiste à recevoir une liste des positions géo- métriques possibles du module GEO et à les sélectionner en fonction de la distance par rapport à la position prédite et de la confiance relative. Dans certains scénarios, la position prédite peut être sélectionnée sur tomes les positions possibles. Dans d' autoes scénarios, une nouvelle position peut être calculée, à savoir une moyenne pondérée de la position possible la plus proche et de la position prédite, les pondérations étant au moins en partie proportionnelles à la confiance respective. [0041] Module de mouvement (MOT) [0042] MOT prend les entrées inertielles de VINS et calcule si le noeud local est en mouvement et calcule la direction de déplacement. Le résultat du calcul de mouvement peut être utilisé pour ajuster la confiance de la position du noeud et peut également être utilisé pour changer les rôles du noeud entre ancre, fil d'Ariane et balise. Les rôles du noeud sont utilisés par le module GEO comme critères de sélection des ensembles les plus favorables de mesures de distance, la préférence la plus élevée étant accordée aux ancres, puis aux fils d'Ariane, puis aux balises. Un fil d'Ariane, dans le contexte du mode de réalisation illustré, est une balise qui est stationnaire pendant un intervalle de temps étendu. La principale différence entre une ancre et fil d'Ariane, dans le mode de réalisation illustré, est que la position d'une ancre est explicitement connue et attribuée lorsque l'ancre est placée. La position du fil d'Ariane a été calculée lorsqu'il se déplaçait en tant que balise, mais a une confiance plus élevée que celle d'une balise mobile en raison de son immobilité et du fait qu'un certain nombre de mesures répétitives ont été prises en compte dans le temps pour réduire les erreurs. [0043] Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de détermination d'une nouvelle position d'un noeud n, ledit noeud comportant un dispositif radioélectrique de mesure de distance, comprend les étapes suivantes : a) Commencer par une position précédente P déterminée précédemment, ladite position précédente ayant une confiance C préalablement déterminée, calculer une position prédite pP, et une confiance prédite associée pC, lesdits calculs utilisant des données provenant d'au moins un capteur inertiel à 3 axes, b) Si lesdites données du capteur inertiel indiquent que le noeud n n'a pas bougé, prendre la position précédente comme nouvelle position et ignorer toutes les étapes suivantes, c) Obtenir une liste de noeuds voisins disponibles, leurs positions associées et les métriques de confiance associées, d) Pour chaque paire de noeuds voisins disponibles de la liste, évaluer la relation géométrique entre Pnl, Pn2 et pP, e) Si l'évaluation de l'étape cl) montre une géométrie favorable, ajouter les noeuds n1 et n2 au sous-ensemble de noeuds sélectionné, 0 Dans le sous-ensemble de noeuds sélectionné à l'étape e), choisir trois noeuds ayant la plus grande confiance associée à leur position, g) Mesurer électroniquement au moins une première distance Dnl par rapport à au moins un premier autre noeud nl, au moins une deuxième distance Dn2 par rapport à au moins un deuxième autre noeud n2, et au moins une troisième distance Dn3 par rapport à au moins un deuxième autre noeud n3, h) Transmettre la valeur de Dili au noeud nl. la valeur de Dn2 au noeud n2 et la valeur de Dn3 au noeud n3, i) Obtenir la position actuelle Pnl dudit premier autre noeud, la position Pn2 dudit deuxième autre noeud et la position Pn3 dudit troisième autre noeud, ladite position comprenant au moins les coordonnées X, Y, Z et une métrique de confiance Cul, Cn2 et Cn3, j) Utiliser la trilatération avec les positions Pnl, Pn2 et Pn3 et les distances mesurées correspondantes Dnl, Dn2 et Dn3 pour déterminer au moins une position possible cP, k) Déterminer une confiance possible cC comme la plus basse parmi Cul, Cn2 et Cn3, puis ajuster ladite confiance eC sur la base de conditions géométriques des calculs à l'étape d), 1) Si la confiance cC est supérieure à pC, choisir la position possible cP comme nouvelle position P et prendre cC comme nouvelle confiance C, sinon choisir la position prédite pP comme nouvelle position P et prédire la confiance pC comme nouvelle confiance C. [00441 Selon un autre mode de réalisation particulier, le procédé de détermination d'une nouvelle position d'un noeud n, ledit noeud comportant un dispositif radioélectrique de mesure de distance, comprend les étapes suivantes : a) Commencer par une position précédente P déterminée précédemment, ladite position précédente ayant une confiance C préalablement déterminée, calculer une position prédite pl'', et une confiance prédite associée pC, lesdits calculs utilisant des données provenant d'au moins un capteur inertiel à 3 axes, b) Si lesdites données du capteur inertiel indiquent que le noeud n n'a pas bougé, prendre la position précédente comme nouvelle position et ignorer toutes les étapes suivantes, c) Obtenir une liste de noeuds voisins disponibles, leurs positions associées et les IO métriques de confiance associées, d) Pour chaque paire de noeuds voisins disponibles de la liste, évaluer la relation géométrique entre Pn 1, Pn2 et pP, e) Si l'évaluation de l'étape d) montre une géométrie favorable, ajouter les noeuds NI et N2 au sous-ensemble de noeuds sélectionné, f) Dans le sous-ensemble de noeuds sélectionné à étape e), choisir trois noeuds ayant la plus grande confiance associée à leur position, g) Mesurer électroniquement au moins une première distance Dnl par rapport à au moins un premier autre noeud nl, et au moins une deuxième distance Dn2 par rapport à au moins un deuxième autre noeud n2, h) Transmettre la valeur de Dnl an noeud n1 et la valeur de Dn2 au noeud n2, i) Projeter géométriquement les distances Dnl et Dn2 sur un plan horizontal commun pour déterminer des distances projetées pDn1 et pDn2, j) Calculer les intersections entre cercles desdites distances projetées pour déterminer deux positions possibles cPa et cPb, k) Déterminer une confiance possible cC comme la plus basse parmi Cid et Cn2, puis ajuster ladite confiance 0C sur la base de conditions géométriques des calculs à l'étape e), I) Déterminer l'erreur de distance eDa entre pP et cPa, et l'erreur de distance eDb entre pP et cPb, m) Choisir la position possible ayant l'erreur de distance la plus faible comme position possible cP et l'erreur de distance correspondante comme erreur de distance eD, n) Calculer la nouvelle position P comme interpolation pondérée entre au moins la position prédite pP et la position possible cP, o) Calculer la nouvelle confiance C comme interpolation pondérée de la confiance prédite pC et de la confiance possible cC. j00451 Les modes de réalisation décrits ici sont donnés à titre d'illustration et non de li- mitation ; d'autres modes de réalisation apparaîtront aisément à l'homme du métier sur la base des descriptions faites ici, sans s'écarter du cadre de la présente invention.