Brevet FR3097958A1 — publié le 20210101

Description Titre de l'invention : Procédé de correction d'une position précédemment estimée d'un véhicule Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne de manière générale le positionnement d'un véhicule dans son environnement. [0002] Elle concerne plus particulièrement un procédé de correction d'une position pré- cédemment estimée d'un véhicule mobile. [0003] Elle concerne également un véhicule équipé d'une centrale inertielle, d'un capteur d'images et d'un calculateur programmé pour mettre en oeuvre un tel procédé de correction. [0004] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le recalage d'une centrale inertielle équipant un navire mais elle pourra aussi s'appliquer dans le domaine terrestre par exemple. Etat de la technique [0005] Les navires de grandes tailles sont actuellement équipés de systèmes de géoloca- lisation par satellites du type GPS ou Galileo, leur permettant de déterminer avec précision leurs positions sur le globe terrestre. [0006] Ces systèmes de géolocalisation présentent toutefois trois limites bien connues. [0007] La première limite est qu'ils peuvent être intentionnellement brouillés, notamment dans les zones de conflit. Il n'est alors plus possible de pénétrer dans de telles zones sans risque. [0008] La seconde limite est que ces systèmes peuvent être leurrés, ce qui est susceptible de conduire au naufrage du navire. [0009] La troisième limite est qu'il arrive que les navires se trouvent dans des envi- ronnements contraignants, tels que des fiords, ne leur permettant plus de recevoir les données émises par les satellites. [0010] Il est donc connu d'équiper un navire, en sus de ce système de navigation, d'une centrale inertielle. De par son principe intrinsèque de fonctionnement, une telle centrale inertielle ne peut en effet être ni brouillée, ni leurrée, ni gênée par l'environnement. [0011] Une telle centrale inertielle est en mesure de déterminer l'accélération du navire dans les trois dimensions de l'espace ainsi que son accélération angulaire autour des trois axes de l'espace, et d'en déduire sa vitesse. Par conséquent, connaissant la position de départ du navire et sa vitesse initiale, il est possible de déterminer à l'aide de la seule centrale inertielle la position du navire à tout instant. 2 100121 L'inconvénient majeur d'une telle centrale inertielle est que les résultats qu'elle fournit présentent toujours une dérive dans le temps. Ainsi, si le calcul de la position du navire souffre initialement d'erreurs très restreintes, ces erreurs s'accumulent dans le temps, ce qui à terme aboutit à des résultats aberrants. [0013] Pour minimiser cette dérive, il est alors connu de recaler régulièrement la centrale inertielle en utilisant les données issues du système de géolocalisation par satellites. Mais ici encore, ce recalagc n'est efficace qu'à la condition que ces données de géolocalisation soient accessibles et qu'elles ne soient ni brouillées, ni leurrées. Présentation de l'invention [0014] Afin de remédier à cet inconvénient, la présente invention propose de recaler la centrale inertielle à l'aide non plus d'une position fournie par un système de géoloca- lisation par satellites, mais plutôt à l'aide d'images acquises depuis le véhicule. [0015] Plus particulièrement, on propose selon l'invention un procédé dc correction de la position d'un véhicule, comprenant : - une étape d'acquisition, par un capteur d'images équipant le véhicule, d'une image réelle sur laquelle apparaît une partie au moins de l'horizon, - une étape d'estimation d'une position estimée du véhicule, - une étape d'élaboration, par un calculateur équipant le véhicule, d'une image simulée de l'horizon en fonction de la position estimée du véhicule et d'un modèle cartographique de l'environnement du véhicule, - une étape de comparaison de l'image réelle et de l'image simulée, et - une étape de correction de la position estimée du véhicule en fonction du résultat de ladite comparaison. [0016] Ainsi, l'invention propose d'utiliser l'horizon visible depuis le véhicule pour recaler la position initialement estimée du véhicule. [0017] Pour cela, il est prévu de comparer l'horizon de référence (acquis à l'aide du capteur d'images) avec l'horizon estimé (élaboré compte tenu des informations fournies par le modèle cartographique de l'environnement), puis d'en déduire une correction à apporter à la position estimée du véhicule. [0018] Un exemple particulier de l'invention consiste ainsi à: - élaborer une image de l'horizon estimée en fonction de la position du véhicule fournie par la centrale inertielle et en fonction du modèle cartographique, - à déterminer dans quelle mesure cette image se superpose à l'image acquise par le capteur d'images, - à en déduire si la position fournie par la centrale inertielle est correcte et, si tel n'est pas le cas, - à déterminer dans quelle mesure elle doit être colligée. 3 100191 D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé conforme à l'invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - la position estimée du véhicule est déterminée au moyen d'une centrale inertielle équipant ledit véhicule ; - après l'étape d'estimation, il est prévu de déterminer plusieurs positions possibles du véhicule en fonction de la position estimée, - à l'étape d'élaboration, il est prévu d'élaborer pour chaque position possible une image simulée de l'horizon tel qu'il devrait être vu par le capteur d'images depuis la position possible compte tenu du modèle cartographique, - à l'étape de comparaison, il est prévu de calculer un degré de correspondance entre l'image réelle et chaque image simulée, - à l'étape de correction, la position estimée est corrigée en fonction au moins de la position possible pour laquelle l'image simulée présente le plus grand degré de correspondance avec l'image réelle ; - à l'étape de correction, la position estimée est corrigée en fonction de toutes les positions possibles et des degrés de correspondance qui leurs sont associés ; - à l'étape d'élaboration, l'image simulée est déterminée en fonction également de la posture du véhicule ; - à l'étape d'estimation, les positions possibles sont réparties autour de la position estimée selon un maillage déterminé ; - le maillage couvre une zone dont la dimension est déterminée en fonction de l'incertitude liée à l'estimation de la position estimée ; - le maillage présente une précision entre deux positions possibles qui est inférieure à 100 mètres. [0020] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Description détaillée de l'invention [0021] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. [0022] Sur les dessins annexés : [0023] [fig.1] est une vue schématique de côté d'un navire ; [0024] [fig.2] illustre un exemple d'image réelle obtenue par un système d'acquisition d'images équipant le navire de la figure 1 ; et [0025] [fig.3] représente un maillage utilisé dans le cadre d'un procédé conforme à l'invention pour corriger une position estimée du navire de la figure 1. [0026] Sur la figure 1, on a représenté un véhicule. Il s'agit ici d'un bateau, et plus pré- cisément d'un navire 10 adapté à naviguer sur mers ouvertes. En variante, il pourrait s'agir d'un autre type de véhicule (sous-marin, avion, véhicule terrestre...). [0027] Ce navire 10 comporte classiquement une coque 16 surmontée d'une passerelle 17. [0028] Le navire 10 comporte par ailleurs, au-niveau de la passerelle 17, au moins un système d'acquisition d'images. Il s'agit ici d'une caméra 11 orientable dans la direction souhaitée. En variante, il pourrait s'agir d'un ensemble de caméras orientées dans des directions différentes. [0029] Cette caméra 11 est ici notamment prévue pour acquérir une image de l'environnement du navire 10 faisant apparaître l'horizon (défini ici comme la limite entre, d'un côté, le ciel, et, de l'autre, la terre et/ou la mer). [0030] Le navire 10 comporte par ailleurs une centrale inertielle 13. Cette centrale inertielle pourrait être de tout type. Il pourra par exemple s'agir d'une centrale inertielle telle que celles commercialisées par la société iXBlue dans l'une des gammes suivantes : QUADRANS, OCTANS, PHINS, MARINS. [0031] Cette centrale inertielle 13 est en mesure de déterminer l'accélération subie à chaque instant par le navire 10 dans les trois directions de l'espace. Elle comporte par ailleurs une unité électronique et/ou informatique adaptée à déduire de cette accélération la vitesse du navire 10. Elle permet également de mesurer l'orientation exacte du véhicule autour des trois axes de rotation de l'espace (roulis, tangage, lacet). [0032] Connaissant la position exacte, l'orientation exacte et la vitesse exacte du navire 10 à un instant donné, l'unité électronique et/ou informatique de la centrale inertielle 13 est également en mesure d'en déduire une position estimée du navire 10 à tout instant. [0033] Ici, on considérera que la centrale inertielle 13 est gyrocompassante, c'est-à-dire qu'elle est en mesure de détecter le Nord géographique et donc le cap du navire 10. [0034] Ainsi, la valeur du cap du navire 10 obtenue à l'aide de la centrale inertielle 13 est très précise. Il n'en va pas nécessairement de même avec l'estimation de la position du navire 10 qui a tendance à dériver dans le temps, du fait d'erreurs initialement très restreintes qui s'accumulent au cours du temps. [0035] Pour con-iger la position estimée du navire 10 (on parle de recalage de la centrale inertielle 13), le navire 10 comporte un calculateur 12 connecté à la caméra 11 et à la centrale inertielle 13. [0036] Ce calculateur 12 est prévu pour recueillir les images réelles obtenues par la caméra 11 ainsi que la position estimée du navire 10 obtenue par la centrale inertielle 13. [0037] Il comporte au moins un processeur (CPU), au moins une mémoire et différentes in- terfaces d'entrée et de sortie lui permettant de communiquer avec la caméra 11 et avec la centrale inertielle 13. [0038] On notera que si, ici, le calculateur 12 est distinct de la centrale inertielle 13, il pourra en variante être intégré à celle-ci. [0039] Grâce à sa mémoire, le calculateur mémorise des données utilisées dans le cadre du procédé de correction de la position estimée décrit ci-après. [0040] Il mémorise notamment un modèle cartographique de l'environnement du navire 10. En pratique, ce modèle cartographique est un modèle numérique de terrain 14, par exemple du type SRTM (de l'anglais « Shuttle Radar Topography Mission ») Un tel modèle numérique de terrain 14 est constitué de fichiers matriciels et vectoriels topographiques qui donnent l'altitude du relief sur une majeure partie du globe terrestre. Tout type de modèle numérique de terrain fournissant des informations de relief dans une zone géographique souhaitée pourrait ici être employé. [0041] Le calculateur 12 mémorise également une application informatique constituée de programmes d'ordinateur comprenant des instructions dont l'exécution par le processeur permet la mise en oeuvre par le calculateur du procédé de correction de la position estimée du navire 10. [0042] Selon l'invention, cc procédé de correction comporte cinq étapes principales, à savoir : - une étape d'acquisition, par la caméra 11 d'une image réelle Img sur laquelle apparaît une partie de l'horizon 20 (voir figure 2), - une étape d'estimation d'une position estimée P1 du navire 10 sur le globe terrestre, - une étape d'élaboration d'une image simulée de l'horizon en fonction de la position estimée PI du navire 10 et des informations stockées dans le modèle numérique de terrain 14, - une étape de comparaison de l'image réelle Img et de l'image simulée, et - une étape de correction de la position estimée PI du navire 10 en fonction du résultat de ladite comparaison. [0043] Ces cinq étapes peuvent maintenant être décrites plus en détail. [0044] La première étape consiste simplement à acquérir, à un instant donné, une image de l'environnement du navire 10. [0045] Cette étape est mise en oeuvre lorsque l'horizon est en vue du navire 10 et que la position estimée PI du navire 10 doit être recalée. [0046] Telle que représentée sur la figure 2, l'image réelle Img est acquise alors que la caméra 11 est à l'horizontale. Bien entendu, ce pourrait ne pas être nécessairement le cas, notamment en cas de forte houle si la caméra 11 n'est pas gyrostabilisée. [0047] Sur cette image réelle Img, on observe que l'horizon 20 est la limite entre la terre 21 et le ciel 22. [0048] La courbe représentative de cet horizon 20 est avantageusement détectée automa- tiquement par le calculateur 12, par traitement d'images (par exemple par ap- 6 prentissagc machine - de l'anglais « machine learning »). [0049] Cette courbe représentative sera ci-après appelée « horizon de référence 20 ». [0050] La seconde étape consiste à déterminer la position estimée Pl du navire 10. [0051] Ici, cette position estimée Pl est déterminée au moyen de la centrale inertielle 13, qui est conçue à cet effet. Elle est ensuite transmise au calculateur 12. [0052] A cc stade, la centrale inertielle 13 transmet également au calculateur 12 d'autres in- formations, parmi lesquelles : - le cap du navire 10 (en degrés par rapport au Nord), - l'angle de tangage du navire 10, et - l'angle de roulis du navire 10. [0053] La position estimée Pl est ici exprimée par une latitude et une longitude en degrés, minutes et secondes. [0054] Comme le montre la figure 3, la position estimée Pl du navire 10 est en général décalée par rapport à la position exacte P2 du navire 10, du fait de la dérive des calculs effectués par la centrale inertielle 13. [0055] En pratique, la dérive maximum de la centrale inertielle 13 est connue. Autrement formulé, à défaut de connaître la position exacte P2 du navire 10, la centrale inertielle 13 est en mesure de savoir à tout instant dans quelle zone se trouve le navire 10. [0056] Sur la figure 3, on a illustré cette zone par un carré qui est centré autour de la position estimée Pl et dont la dimension dépend du temps passé depuis la dernière position exacte connue du navire 10. [0057] Ici, le calculateur 12 va alors discrétiser cette zone en une pluralité de positions possibles Pi que le navire 10 peut présenter. [0058] Pour cela, le calculateur 12 « maille » le carré et définit une position possible Pi en chaque point du maillage. La finesse du maillage (c'est-à-dire la distance entre les positions possibles Pi) est ici prédéfinie, en fonction de la précision souhaitée. Elle peut par exemple être comprise entre 1 et 100 mètres. [0059] Cette finesse est ici la même dans l'ensemble de la zone considérée et elle présente une valeur fixe quelle que soit la dimension de la zone considérée. Ainsi les positions possibles sont-elles régulièrement réparties dans l'ensemble du carré. [0060] En variante, on peut prévoir que la valeur de la finesse de maillage soit variable, en fonction par exemple de la distance séparant le navire 10 de la côte ou en fonction de la dimension de la zone considérée. [0061] Lors de la troisième étape, grâce au modèle cartographique 14, le calculateur 12 élabore pour chaque position possible Pi une image simulée de l'horizon tel qu'il devrait être vu par le capteur d'images 11 depuis la position possible Pi. [0062] Une image simulée représentant l'horizon estimé sera élaborée pour chaque position possible Pi du navire 10, afin de représenter l'image de l'horizon qui devrait être vue 7 depuis la caméra 11 si le navire 10 se trouvait exactement sur la position possible Pi considérée. [0063] Chaque image simulée de l'horizon estimé est élaborée en fonction au moins de la position possible Pi qui lui est associée et en fonction des données fournies par le modèle numérique de terrain 14. [0064] Ici, chaque image simulée est élaborée en fonction également de l'angle de roulis et de l'angle de tangage du navire 10, ainsi que du cap selon lequel la caméra 11 est orientée (cc cap étant déduit du cap du navire et de la posture de la caméra 11 sur le navire 10). [0065] Plus précisément, pour élaborer une image simulée de l'horizon estimé, le calculateur 12 commence par relever dans le modèle numérique de terrain 14 la position des lignes de crête situées dans un cercle qui est centré sur la position possible Pi considérée du navire 10 et dont le rayon correspond à la portée utile de la caméra 11. [0066] Compte tenu de cc relevé, il peut tracer une ébauche d'image simulée. [0067] Il peut ensuite corriger cette ébauche en tenant compte de l'angle de roulis et de l'angle de tangage du navire 10. En effet, le roulis et le tangage modifient sur l'image réelle l'orientation de l'horizon de référence par rapport à l'horizontale. Cette correction vise donc à affecter pareillement l'ébauche d'image simulée. [0068] Une fois l'ébauche corrigée, le calculateur 12 obtient ainsi une image simulée re- présentant l'horizon estimé tel qu'il devrait être vu depuis la caméra 11 si le navire 10 se trouvait dans la position possible Pi considérée. [0069] En variante, chaque image simulée pourrait être encore corrigée, pour tenir compte de la météo, qui est également susceptible d'affecter les images que la caméra 11 acquiert. [0070] On notera ici que les calculs exacts d'élaboration des images simulées ne seront pas ici décrits, puisqu'ils varient en fonction de nombreux facteurs tels que le type de caméra 11 choisi, la position de la caméra 11 sur le navire 10... Un algorithme de génération d'images devra donc être élaboré pour chaque type de navire, à la suite d'une campagne de tests en conditions réelles permettant de recueillir les données nécessaires à l'élaboration de cet algorithme. [0071] Au cours de la quatrième étape dite de comparaison, il est prévu de calculer un degré de correspondance entre l'image réelle Img acquise par la caméra 11 et chaque image simulée représentant l'horizon estimée. [0072] Ces calculs visent à déterminer dans quelle mesure les images simulées et réelle se superposent bien. [0073] Ils visent plus précisément ici à déterminer dans quelle mesure l'horizon estimé se superpose à l'horizon de référence. [0074] Pour cela, le calculateur considère tout d'abord une première image simulée. 8 [0075] Il calcule alors un degré de correspondance entre l'horizon estimé représenté sur cette première image et l'horizon de référence. [0076] Ce degré de correspondance est calculé en discrétisant ces deux horizons, puis en utilisant une méthode mathématique quelconque, utilisant par exemple l'inverse de la norme quadratique de deux vecteurs. [0077] Le degré de correspondance obtenu est alors d'autant plus élevé que ces horizons se ressemblent. [0078] Puis, le calculateur 12 répète ces opérations avec chacune des autres images simulées. [0079] Au cours de la cinquième étape dite de correction, le calculateur 12 corrige alors la position du navire 10. [0080] Pour cela, une première méthode simple, mais dont la précision demeure limitée, consiste à considérer que la position exacte P2 du navire 10 est celle associée à l'image simulée pour laquelle le degré de correspondance avec l'image réelle Img est le plus élevé. [0081] Une seconde méthode plus complexe mais plus précise, consiste à sélectionner les N positions possibles ayant les plus grands niveaux de correspondance (avec N supérieur ou égal à 2), puis à utiliser ces N positions et les niveaux de correspondances qui leurs sont associés pour déterminer la position exacte du navire (au moyen par exemple d'un calcul barycentrique). [0082] Une troisième méthode, qui est ici préférée, consiste à considérer toutes les positions possibles et leurs degrés de correspondance, lesquels degrés de correspondance donnent la probabilité de présence du navire 10 en chaque point du maillage. [0083] Préférentiellement, selon cette troisième méthode, la détermination de la position exacte P2 la plus vraisemblable est ensuite effectuée par un algorithme qui prend en compte l'ensemble de ces degrés de correspondance, ainsi qu'éventuellement aussi d'autres données (par exemple les données de géolocalisation par satellites). [0084] Puis, le calculateur 12 transmet à la centrale inertielle 13 un signal permettant de la recaler. [0085] La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et re- présenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l'invention. [0086] Ainsi pourrait-on comparer uniquement l'horizon estimé tel qu'il devrait être vu depuis la position estimée PI avec l'horizon de référence, et en déduire si la position estimée PI est correcte. Dans cette variante, si la position estimée n'est pas correcte, on peut examiner le décalage entre l'horizon estimé et l'horizon de référence, et en déduire une correction de la position estimée. Pour vérifier que la correction est correcte, on peut ensuite répéter cette opération jusqu'à ce que les deux horizons se su- perposent bien. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] REVENDICATIONSProcédé de correction dc la position d'un véhicule (10), comprenant : - une étape d'acquisition, par un capteur d'images (II) équipant ledit véhicule (10), d'une image réelle (Img) sur laquelle apparaît une partie au moins de l'horizon (20), - une étape d'estimation d'une position estimée (P 1 ) du véhicule (10), - une étape d'élaboration, par un calculateur (12) équipant le véhicule (10), d'au moins une image simulée de l'horizon cn fonction de la position estimée (PI) du véhicule (10) et d'un modèle cartographique (14) de l'environnement du véhicule (10), - une étape de comparaison de l'image réelle (Img) et de chaque image simulée, et - une étape de correction de la position estimée (P1) du véhicule (10) en fonction du résultat de ladite comparaison. Procédé de correction selon la revendication précédente, dans lequel la position estimée (P1) du véhicule (10) est déterminée au moyen d'une centrale inertielle (13) équipant ledit véhicule (10). Procédé de correction selon l'une des revendications précédentes, dans lequel : - après l'étape d'estimation, il est prévu de déterminer plusieurs positions possibles (Pi) du véhicule (10) en fonction de la position estimée (P1), - à l'étape d'élaboration, il est prévu d'élaborer, pour chaque position possible (Pi), une image simulée de l'horizon tel qu'il devrait être vu par le capteur d'images (11) depuis la position possible (Pi) compte tenu du modèle cartographique (14), - à l'étape de comparaison, il est prévu de calculer un degré de correspondance entre l'image réelle (Img) et chaque image simulée, et - à l'étape de con-ection, la position estimée (P1) est corrigée en fonction au moins de la position possible (Pi) pour laquelle l'image simulée présente le plus grand degré de correspondance avec l'image réelle (Img). Procédé de correction selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape de correction, la position estimée (Pi) est corrigée en fonction de toutes les positions possibles (Pi) et des degrés de correspondance associés. Procédé de correction selon l'une des deux revendications précédentes, 11 [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] dans lequel à l'étape d'estimation, les positions possibles (Pi) sont réparties autour de la position estimée (P1) selon un maillage déterminé. Procédé de correction selon la revendication précédente, dans lequel le maillage couvre une zone dont la dimension est déterminée en fonction de l'incertitude liée à l'estimation de la position estimée (P1). Procédé de correction selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel le maillage présente une précision entre deux positions possibles (Pi) qui est inférieure à 100 mètres. Procédé de correction selon l'une des revendications précédentes, dans lequel à l'étape d'élaboration, l'image simulée est déterminée en fonction également de la posture du véhicule. Véhicule (10) comprenant un capteur d'images (11), une centrale inertielle (13) et un calculateur (12), caractérisé en ce que le calculateur (12) est programmé pour mettre en oeuvre un procédé de correction tel que défini dans l'une des revendications précédentes. Véhicule (10) selon la revendication précédente, formé par un navire.