Brevet FR3081598A1 — publié le 20191129

CARTOGRAPHE ET LOCALISATION SIMULTANEE D'UN OBJET DANS UN ENVIRONNEMENT INTERIEUR L'invention concerne la cartographie et localisation simultanée d'un objet dans un environnement intérieur, et plus particulièrement la cartographie et localisation autonome. La localisation dans un environnement intérieur (ou indoor anglais) est un enjeu majeur pour un grand nombre de domaines des services et de l'industrie. Par exemple, les usines du futur nécessiterons de suivre le déplacement de matériel, pièces ou colis et la position des objets dans le bâtiment devra être connue avec une grande précision. D'autre part, la localisation des personnes aujourd'hui courante à l'extérieur des bâtiments (par exemple à i'aide d'un smartphone équipé d'une puce GPS) devra se poursuivre avec la même qualité de service à l'intérieur des bâtiments, par exemple pour guider les utilisateurs à l'intérieur d'un centre commerciai. En outre, le déploiement de robots autonomes est une application où la localisation dite =, indoor » est un enjeu majeur. Dans le contexte de la localisation « indoor », la détection de la position d'un objet ne peut généralement pas s'appuyer sur des services externes, comme le système de navigation de type GPS. D'une part, les signaux émis par les systèmes de navigation sont transmis par des satellites et ne sont généralement pas reçus à l'intérieur des bâtiments. D'autre part, la précision obtenue par les systèmes de navigation est de quelques mètres à quelques dizaines de mètres, et les applications de localisation « indoor » requièrent une résolution beaucoup plus fine. Classiquement, la localisation en contexte indoor » est réalisée à partir d'un réseau d'émetteurs-récepteurs appelés balises (en anglais, « beacon »), disposés à l'intérieur du bâtiment, et dont la localisation est connue. L'objet à localiser est capable d'émettre régulièrement un signal radioélectrique qui peut être détecté et identifie par le réseau de balises. Si le signal émis par l'objet à localiser est synchronisé avec le réseau de balises, chaque balise est capable de mesurer la durée de propagation du signal de l'objet à la balise. Cette durée de propagation peut être convertie en distance en connaissant la vitesse de propagation du signal. On obtient finalement la position de l'objet par trilatération, en calculant l'intersection des cercles centrés sur chaque balise et dont le rayon équivaut à la distance de l'objet à la balise. On appelle ce type de localisation, localisation par temps d'arrivée (en anglais Time of Arrivai positioning). L'article scientifique de K. Pahiavan, Xinrong Li and J. P. Makeia, "Indoor geolocation science and technology," in IEEE Communications Magazine, vol. 40, no. 2, pp. 112-118, Feb 2002, décrit cette méthode pour localiser un objet communicant sur un réseau local sans fil (WLAN) à partir des points d'accès. L'inconvénient majeur de cette technique est qu'elle ne s'applique qu'aux objets qui font déjà partie d'un réseau de communication radioélectrique dont un certain nombre de noeuds ont une position connue, comme un objet mobile dans un réseau Wifi. 2 Dans le cas où le signal émis par l'objet à localiser n'est pas synchronisé avec le réseau de balises, il est toujours possible de localiser l'objet. Dans ce cas, ce n'est pas le temps de propagation du signai vers chaque balise qui est connu, mais la différence de temps d'arrivée du signai entre deux balises. La localisation se fait alors par trilatération en calculant l'intersection d'hyperboles. On appelle ce type de localisation, localisation par différence de temps d'arrivée (en anglais Time Difference of Arrivai positioning). L'article de Do, TH, & Yoo, M., >. L'objet 1 n'est qu'un exemple de capteur d'émission et de réception d'un signai sans-fil. D'autres techniques pourraient être utilisées, comme un signal sonore (sonar), ou infra-rouge par exemple. Dans le cas où l'objet 1 muni d'un seul capteur d'émission-réception se dinde dans la 35 direction d'un obstacle 20, à chaque position pos1, pos2, pos3, l'objet 1 peut émettre un signal s. Ce signal s s'appelle un signal de sondage. L'objet peut alors l'écho r de ce signal après réflexion ou diffraction sur i'obstacle 20 pour chacune de ces positions d'émission posi , p052, pos3. 5 10 L'analyse du signal reçu r permet d'obtenir la réponse impulsionnelle de sondage 40 illustrée par la figure 2b, qui représente le niveau de l'écho en fonction de la durée de propagation, 8 On peut ainsi mesurer la durée de propagation aller-retour du signal de sondage. En multipliant cette durée de propagation aller-retour par c12, où c est la vitesse de propagation du signal, on obtient la distance de l'obstacle. C'est le fonctionnement de type radar. 5 La figure 2b illustre des réponses r impulsionnelles de sondage pour les trois positions. Les réponses r sont représentées sur un graphique ayant en abscisses l'instant de réception t et en ordonnées l'amplitude a de la réponse reçue r. Les durées tl t2 et t3 représentés sont liées aux distances dl , d2 et d3 entre l'objet 1 et l'obstacle 20 aux positions posl , pos2 et 10 pos3 par les relations : di = tl x c/2, d2 = t2 x c/2, et d3 = t3 x c/2 A ce stade, le sondage réalisé par le capteur de l'objet 1 permet de savoir que l'objet 15 1 est en train de se rapprocher de l'obstacle 20, mais ne donne pas la direction de l'obstacle 20. Pour déterminer la direction de l'obstacle, le procédé de cartographie et de iocalisation selon l'invention combine cette information de cartographie mono-capteur avec l'information interne de déplacement de l'objet dp(t). Cette information de déplacement peut être obtenue par exemple à i'aide d'un odomètre ou encore à l'aide d'un accéléromètre. 20 La figure 2c illustre une localisation de l'obstacle en utilisant les informations de déplacements. La connaissance de la position relative de l'objet 1 pour les différentes positions de 25 sondage posi , pos2, pos3 peut être combinée à l'information d'évaluation de la distance mono- capteur de manière à localiser l'obstacle 20. Pour ce faire, une trilatération, peut être réalisée par le procédé de cartographie et de localisation. La trilatération consiste à calculer l'intersection de trois cercles centrés sur les positions posi pos2 et pos3, et dont les rayons correspondent au distances objet-obstacles obtenues pour chaque position par sondage. 30 La figure 2c illustre l'application de la trilatération, à titre d'exemple, dans une situation à 2 dimensions. Cependant elle peut aussi être utilisée dans le cas où la localisation se réalise en 3 dimensions. Dans ce cas, la trilatération correspond à évaluer une intersection de sphères. 35 On peut noter sur l'exemple de la figure 2c qu'il persiste une ambiguïté latérale, car !es trois cercles se croisent en deux points X1 et X2: au niveau de l'obstacle 20 et à son point symétrique par rapport à l'axe A de déplacement de l'objet 1. Cette ambiguïté latérale peut être levée dès lors que l'objet 1 en déplacement effectue un mouvement non rectiligne. Par conséquent, l'information de déplacement dp(t) de l'objet 1 permettra de déterminer la position de 40 l'obstacle 20 au point X2. Eventuellement, afin de faciliter cette discrimination de position DSCR, le procédé de cartographie et localisation selon l'invention comporte un contrôle de l'objet 1 (non illustré) envoyant notamment au dispositif locomoteur de l'objet une commande de changement de direction ponctuelle afin de permettre cette levée d'ambigüité. L'exemple considéré propose d'utiliser les évaluations de distances en 3 points distincts, mais la trilatération peut être réalisée à partir d'évaluations de la distance réalisées en un nombre quelconque de points au moins égal à 2. La distance des obstacles peut également être 10 évaluée en continu, et l'algorithme de localisation des obstacles peut choisir d'utiliser tout ou partie des mesures de distance réalisées dans l'historique de cartographie, associées aux positions relatives de l'objet en déplacement. Ainsi, en utilisant le procédé de cartographie et de localisation selon l'invention, plus l'objet 1 se déplace dans son environnement 2, et plus sa représentation des obstacles qui l'entourent, devient précise. -15 Les figures 3a, 3b et 3c montrent des illustrations simplifiées de la mise en oeuvre de l'invention dans le cas d'un environnement complexe, c'est-à-dire comportant plusieurs obstacles. L'exemple de la figure 2c illustre le cas où l'obstacle 20 à identifier est localisé dans 20 un point précis de l'espace. Cependant, l'invention s'applique de la même manière lorsque c'est l'ensemble de i'environnement 2 qui doit être cartographié. A titre d'iilustration, un objet 1 se déplace à proximité d'un angle formé par deux murs perpendiculaires. La figure 3a illustre une réponse impulsionnelle de sondage obtenue lorsque l'objet se 25 situe à proximité de deux murs. Les réponses r sont représentées sur un Graphique ayant en abscisses l'instant de réception t et en ordonnées l'amplitude a de la réponse reçue r. A l'aide de son système de sondage mono-capteur, l'objet 1 reçoit en permanence une réponse r impulsionnelle de sondage composée de deux pics : il s'agit de ia réflexion 30 spéculaire sur chacun des murs. La réponse impulsionnelle de sondage obtenue à un instant donné lors du déplacement est illustrée par la figure 3a. Du point de vue de la cartographie de l'environnement, cette réponse impulsionnelle à deux pics est représentée par deux cercles centrés sur la position de l'objet et dont les rayons 35 correspondent aux distances mesurées entre i'objet et chacun des murs comme ie montre la figure 3b. La figure 3b illustre une cartographie d'un environnement complexe (deux murs) lors d'un déplacement de l'objet, 40 10 Ces deux cercles sont représentés pour différentes positions de l'objet 1 lors de son déplacement : le cercle en tiret correspond à la distance mesurée par réflexion sur le mur du haut 201, et le cercle en trait plein correspond à la distance mesurée par réflexion sur le mur de droite 202. L'objet 1 n'est pas représenté mais uniquement sa ligne de déplacement (courbe en tirets- 5 points). Les cercles mesurés successivement tendent à se superposer à l'endroit où se situent chacun de,- murs 201, 202. 10 Le procédé de cartographie et de location peut utiliser au moins une méthode de détermination exacte de la position des murs. A titre d'exemple, il est possible de diviser DIV (cf. figure 1) l'espace de la carte d'environnement en cellules de petite taille. La probabilité qu'une cellule contienne un obstacle (un mur, du mobilier) augmente à chaque fois que la cellule est traversée par un cercle de mesure de distance. Au fur et à mesure que l'objet se déplace dans son 15 environnement, les cellules correspondant réellement à un obstacle obtiennent une très forte probabilité. L'objet peut à tout moment produire une carte partielle de la connaissance de son environnement en appliquant un seuil sur les probabilités obtenues dans chaque cellule. La précision de cette méthode augmente à mesure que l'objet se déplace dans l'environnement et effectue ainsi des sondages de l'environnement à partir de points de vue différents. En particulier, 20 le déplacement dans l'environnement permet de lever les éventuelles ambiguïtés latérales, Ce type de cartographie n'est possible que parce que l'objet intègre dans le même processus la connaissance de son propre déplacement et les éléments de sondage de l'environnement dont il dispose. 25 La figure 3c illustre une réponse impulsionnelle de sondage dans un cas complexe (3 obstacles). Dans les cas pratiques, l'environnement peut être très complexe. D'autre part, l'ensemble des phénomènes de propagation peuvent être à l'origine de la retransmission d'échos : 30 réflexion spéculaire, réflexion diffuse, diffraction. Ainsi la réponse impulsionnelle n'est pas toujours composée de pics d'échos distincts mais peut correspondre à un profil continu et décroissant représentant le niveau de l'écho diffus décroissant ed en fonction du délai de propagation avec des pics correspondant aux échos principaux epk. Un exemple d'un tel profil est représenté dans la figure 3c. 35 Dans cette situation, la méthode de cartographie ci-dessus peut toujours être appliquée. Au lieu de cercles distincts correspondant aux échos principaux epk, la carte d'environnement est alimentée à l'aide de disques continus de niveau d'écho (obtenus à partir de la réponse impulsionnelle). La probabilité qu'une cellule de la carte de l'environnement contienne Ii un obstacle augmente avec le niveau d'écho répertorié dans cette cellule, en réalisant une fonction de sommation de ces niveaux pour différentes positions de sondage. La fonction fournissant la probabilité de présence d'un obstacle dans la carte 5 d'environnement peut tenir compte des différents profils de niveau d'écho mesurés par l'objet, de la position relative de l'objet lors de la mesure de ce profil et de [ancienneté de la mesure du profil. Ce dernier point permet de mettre plus ou moins de poids dans les mesures plus anciennes, et est particulièrement important dans le cas où l'environnement peut être modifié dans le temps (par exemple dans le cas où d'autres objets mobiles sont présents dans l'environnement). 10 La figure 4 illustre un schéma simplifié d'un objet selon l'invention. Un dispositif de cartographie et localisation simultanée 12 d'un objet 1 dans un environnement intérieur 2 comporte un générateur 120 d'une carte de l'environnement intérieur et 15 un analyseur 121 de déplacement de l'objet en fonction de données captées par l'objet 1. Le dispositif de cartographie et localisation 12 met en oeuvre conjointement ie générateur de la carte 120 et l'analyseur de déplacement 121. Par conjointement est notamment entendu de manière simultanée, concomitante. 20 Un objet 1 comporte : un émetteur 10 d'un signal de sondage un récepteur 11 d'un signal de réponse r à une émission par l'objet 1 du signal de sondage ; 25 un dispositif de cartographie et localisation simultanée 12 d'un objet 1 dans un environnement intérieur. Le dispositif de cartographie et localisation simultanée 12 de l'objet 1 comporte un générateur 120 d'une carte de l'environnement intérieur et un analyseur 121 de déplacement de 30 l'objet en fonction de données captées par l'objet 1. Le dispositif de cartographie et localisation 12 met en oeuvre conjointement le générateur de la carte 120 et l'analyseur de déplacement 121. En particulier, l'objet 1 comporte un écran 17 apte à reproduire en temps réel la carte générée mp par le dispositif de cartographie et localisation 12 simultanée d'un objet dans un 35 environnement intérieur. Notamment, l'écran 17 est apte à reproduire en outre sur la carte reproduite la position de l'objet 1 en fonction de données de localisation fournie par le dispositif de cartographie et localisation 12. En particulier, l'objet 1 comporte un dispositif de navigation 15, 40 12 En particulier, l'objet 1 comporte un système locomoteur 16 incluant un contrôleur apte à commander cmd(dr) au moins une direction du système locomoteur 16 en fonction du trajet déterminé nvg par le dispositif de navigation 15. Par direction est entendue un dispositif d'un véhicule ou un robot autonome en terme de déplacement apte à modifier le sens du déplacement 5 notamment la direction des roues pour véhicule ou robot roulant. En particulier, le générateur de la carte 120 à un instant donné t est fonction d'une information relative au déplacement détecté à l'instant donné dp(t). Cette information relative au déplacement comporte notamment au moins une données parmi les suivantes : sens de 10 déplacement (en 2D ou en 3D), vitesse de déplacement, point de départ, position à l'instant t, etc. En particulier, le générateur de la carte 120 comporte un détecteur d'obstacle (non illustré) en fonction d'un signal de réponse reçu r à une émission par l'objet 1 d'un signal de sondage s. 15 En particulier, le générateur de la carte 120 comporte un filtre (non illustré) extrayant du le signai de réponse reçue rr la part résultant du signai de sondage s. Le filtre fournit donc un signal filtré rf(s) dans lequel les bruits environnants (ne résultant pas du signal de sondage) ont été supprimé. Le signal filtré rf(s) correspondant au(x) réflexion(s) et/ou réfraction(s) et/ou diffraction(s) 20 du signal de sondage émis s sur un ou plusieurs obstacles W. En particulier, le générateur de la carte 120 comporte un discriminateur (non illustré) de position d'un obstacle wd, wdi en fonction d'une information relative au déplacement détecté dp(t) parmi plusieurs positions (wdkjk fournies en fonction du signal de réponse reçu rr. 25 En particulier, le générateur de la carte 120, notamment le discriminateur ou le détecteur d'obstacle, lève une ambigülté sur une position d'un obstacle en fonction d'une information relative au déplacement détecté. 30 En particulier, le générateur de la carte 120 comporte un pondérateur (non illustré) d'un obstacle détecté wdi par une probabilité pi lorsqu'une détection d'obstacle WLDC détecte plusieurs obstacles dans le signal de réponse reçu rr à une émission par l'objet d'un signal de sondage s. La probabilité pi associé à un obstacle wdi est fonction, à l'instant donné t, de l'amplitude a du signai de réponse reçu résultant rr de l'obstacle et de l'information de déplacement 35 détecté. En particulier, le générateur de la carte 120 comporte un diviseur (non illustré) de la carte en plusieurs cellules mpcj. A un obstacle wdu est associée une cellule nipci 13 En particulier, le générateur de la carte 120 comporte un coupleur (non illustré) associant à une cellule mpc; d'une carte mp divisée en plusieurs cellules de l'obstacle vidi; ayant la probabilité la plus forte Ai, lorsque plusieurs obstacles {vvdi}, sont détectés pour la cellule mpci. En particulier, l'analyseur 121 du déplacement de l'objet comporte un analyseur de mouvement (non illustré) apte à partir de données captées de fournir une information relative au déplacement de l'objet à un instant donné dp(t). En particulier, l'analyseur 121 du déplacement de l'objet comporte un récepteur (non 10 illustré) de données captées provenant d'au moins un capteur 18. Le(s) capteur(s) 18 est(sont), par exemple, au moins un des dispositifs parmi les suivants : un capteur de mouvement, notamment par infrarouge, un odomètre, un accéléromètre, un compteur métrique, une boussole, etc. En particulier, l'analyseur 121 du déplacement de l'objet comporte un déclencheur 15 (non illustré) d'une mesure de mouvement transmettant notamment une requête rq à un capteur 18, Le capteur 18 sollicité transmet en réponse à cette requête des données captées dc à partir desquelles le déplacement dp(t) est déterminé. Notamment, le(s) capteur(s) 18 est(sont) au moins un des dispositifs parmi les suivants un capteur de mouvement, notamment par infrarouge, un odomètre, un accéléromètre, un compteur métrique, une boussole, etc. 20 En particulier, le générateur de la carte 120 comporte le récepteur 11 de la réponse au signal de sondage r, résultant notamment de la rencontre du signal de sondage avec au moins un obstacle 20, tel qu'un mur, un meuble, voire dans le cas d'une cartographie 3D un plafond, un sol, etc. 25 En particulier, le générateur de la carte 120 comporte un émetteur 10 du signal de sondage s. Le signal de sondage s peut être radio, électromagnétique, infrarouge, sonore, etc. L'objet 1 est notamment un smartphone ou une tablette, ou un véhicule : vélo, 30 voiturette, chariot de transport dans une usine, un immeuble de bureaux... mais encore un objet autonome de type robot, drone terrestre ou aérien... Dans un mode de réalisation non illustré, un dispositif de navigation 15 comporte le dispositif de cartographie et localisation 12 simultanée d'un objet dans un 35 environnement intérieur, et un calculateur (non illustré) apte à déterminer un trajet en fonction de la position de l'objet et la carte générée fournie par le dispositif de cartographie et localisation simultanée d'un objet dans un environnement intérieur. 14 L'invention vise aussi un support. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette ou un disque dur. D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signai électrique ou optique qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un 10 réseau notamment de type Internet. Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question. 15 Dans une autre implémentation, l'invention est mise en oeuvre au moyen de composants logiciels et/ou matériels. Dans cette optique le terme module peut correspondre aussi bien à un composant logiciel ou à un composant matériel. Un composant logiciel correspond à un ou plusieurs programmes d'ordinateur, un ou plusieurs sous-programmes d'un programme, ou de 20 manière plus générale à tout élément d'un programme ou d'un logiciel apte à mettre en oeuvre une fonction ou un ensemble de fonction selon la description ci-dessus. Un composant matériel correspond à tout élément d'un ensemble matériel (ou REVENDICATIONS1. Procédé de cartographie et localisation simultanée d'un objet dans un environnement intérieur comportant une génération d'une carte de l'environnement intérieur et une détermination du déplacement de l'objet en fonction de données captées par l'objet, le procédé de cartographie et localisation effectuant conjointement la génération de la carte et la détermination du déplacement. 2. Procédé de cartographie et localisation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la génération de la carte à un instant donné est fonction d'une information relative au 10 déplacement détecté à l'instant donné. 3. Procédé de cartographie et localisation selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que la génération de la carte comporte une détection d'obstacle en fonction d'un signal de réponse reçu à une émission par l'objet d'un signal de sondage. 4. Procédé de cartographie et localisation selon l'une quelconques des revendications 15 précédentes, caractérisé en ce que la génération de la carte comporte un filtrage dans le signal de réponse reçue de la part résultant du signal de sondage. 5. Procédé de cartographie et localisation selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que la génération de la carte comporte une discrimination de position d'un obstacle en fonction d'une information relative au déplacement détecté parmi 20 plusieurs positions fournies en fonction du signal de réponse reçu. 6. Procédé de cartographie et localisation selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que la génération de la carte comporte une pondération d'un obstacle détecté par une probabilité lorsqu'une détection d'obstacle détecte plusieurs obstacles dans le signal de réponse reçu à une émission par l'objet d'un signal de sondage, la probabilité 25 associé à un obstacle étant fonction, à l'instant donné, de l'amplitude du signal de réponse reçu résultant de l'obstacle et de l'information de déplacement détecté. 7. Procédé de cartographie et localisation selon la revendication précédente caractérisé en ce que la génération de la carte comporte une division de la carte en plusieurs cellules, à un obstacle étant associée une cellule. 30 8. Procédé de cartographie et localisation selon *une quelconques des revendications 4 ou 6 caractérisé en ce que la génération de carte comporte une association à une cellule d'une carte divisée en plusieurs cellules de l'obstacle ayant la probabilité la plus forte, lorsque plusieurs obstacles sont détectés pour la cellule. 9. Programme de cartographie et localisation comprenant des instructions de code de 35 programme pour l'exécution des étapes du procédé de cartographie et localisation selon l'une quelconque des revendications précédentes lorsque ledit programme est exécuté par un processeur. 10. Dispositif de cartographie et localisation simultanée d'un objet dans un environnement intérieur comportant un générateur d'une carte de l'environnement intérieur et un analyseur de 40 déplacement de l'objet en fonction de données captées par l'objet, le dispositif de cartographie et 16 localisation mettant en oeuvre conjointe ent le générateur de la carte et l'analyseur de déplacement. 11. Dispositif de navigation comportant un dispositif de cartographie et localisation simultanée d'un objet dans un environnement intérieur selon la revendication précédente, et un calculateur apte à déterminer un trajet en fonction de la position de l'objet et la carte générée fournie par le dispositif de cartographie et localisation simultanée d'un objet dans un environnement intérieur. 12. Objet comportant 10 un émetteur d'un signal de sondage un récepteur d'un signal de réponse à une émission par l'objet du signal de sondage ; un dispositif de cartographie et localisation simultanée d'un objet dans un environnement intérieur selon la revendication 10. 13. Objet selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'objet comporte un écran 15 apte à reproduire en temps réel la carte générée par le dispositif de cartographie et localisation simultanée d'un objet dans un environnement intérieur. 14. Objet selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13 caractérisé en ce que l'objet comporte un dispositif de navigation. 15. Objet selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'objet comporte un système 20 locomoteur incluant un contrôleur apte à commander au moins une direction du système locomoteur en fonction du trajet déterminé par le dispositif de navigation.