Brevet FR3118222A1 — publié le 20220624

SYSTEME DE PLANIFICATION D’UNE TRAJECTOIRE OPTIMISEE D’UN VEHICULE MARITIME Ce système de planification d’une trajectoire optimisée d’un véhicule maritime dans un espace continu, est caractérisé en ce qu’il comporte : - des moyens (1) de discrétisation de l’espace continu dans lequel la trajectoire du véhicule doit être planifiée, associés à un modèle du véhicule (2) et à un modèle du ou de chaque obstacle mobile (3) dans cet espace ; - des moyens (4) de calcul de la fonction de coûts pour chaque transition possible entre deux dates consécutives de la composante temporelle de cet espace ; et - des moyens (5, 6) d’établissement de la trajectoire optimale comme étant celle pour laquelle la fonction coût est minimisée. Figure pour l'abrégé : Figure 3 SYSTEME DE PLANIFICATION D’UNE TRAJECTOIRE OPTIMISEE D’UN VEHICULE MARITIME La présente invention concerne un système de planification d’une trajectoire optimisée d’un véhicule maritime dans un espace continu. Le véhicule maritime peut par exemple être un bâtiment de surface ou encore un sous-marin. Il s’agit ainsi de planifier une trajectoire d’un point de départ jusqu’à une zone de destination pour un véhicule maritime, à partir de la connaissance de l’état de son environnement. Son environnement consiste alors par exemple en un ensemble de mobiles à proximité. Un mobile est caractérisé par une position estimée avec une incertitude connue ainsi qu’un modèle comportemental aléatoire connu. En fait ceci se fait en utilisant la notion de « coût » qui correspond à une mesure associée à la trajectoire suivie par le véhicule entre le point de départ et le point d’arrivée (qui peut être par exemple une distance, une consommation de carburant, un risque de collision etc.…). Lorsque l’on discrétise le problème, ceci fournit un outil de calcul approximatif de cette mesure, l’objectif étant d’optimiser cette dernière (minimisation de la distance, de la consommation, du risque etc.). Des études sur ce type de systèmes ont déjà été réalisées dans des domaines tels que le domaine routier ou encore le domaine aérien. On pourra par exemple se reporter aux documents FR 3 084 630, EP 2 463 844, EP 2 287 633 et US 2017/0132942. Dans ces documents on propose alors une trajectoire optimale en garantissant l’évitement d’obstacles mobiles tout en minimisant un coût le long de cette trajectoire. Cependant rien n’a encore été proposé dans le domaine maritime. Le but de l’invention est donc de proposer une telle solution dans ce domaine spécifique. A cet effet l’invention a pour objet un système de planification d’une trajectoire optimisée d’un véhicule maritime dans un espace continu, caractérisé en ce qu’il comporte : - des moyens de discrétisation de l’espace continu dans lequel la trajectoire du véhicule doit être planifiée, associés à un modèle du véhicule et à un modèle du ou de chaque obstacle mobile dans cet espace ; - des moyens de calcul de la fonction de coûts pour chaque transition possible entre deux dates consécutives de la composante temporelle de cet espace ; et - des moyens d’établissement de la trajectoire optimale comme étant celle pour laquelle la fonction coût est minimisée. Suivant d’autres caractéristiques du système selon l’invention, prises seules ou en combinaison : - l’espace continu est un espace en quatre dimensions, trois pour l’espace et une pour le temps, en créant une grille cartésienne de dimension 4 ; - le modèle du véhicule représente la dynamique de l’évolution du véhicule en position, orientation et vitesse ; - le modèle d’obstacle mobile est caractérisé par son état estimé à l’instant du lancement de la planification et d’un modèle d’évolution stochastique connu de celui-ci ; - il est embarqué à bord du véhicule ; - il est adapté pour délivrer à un opérateur, des informations d’aide à la conduite du véhicule ; - il est adapté pour délivrer des informations de commande d’au moins un organe de conduite du véhicule. L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : la illustre un modèle de véhicule ; la illustre la probabilité de présence d’un obstacle estimée à l’aide d’une méthode de Monte-Carlo ; et la illustre un schéma synoptique d’un système de planification selon l’invention. Il est proposé par la suite une méthode utilisable dans un contexte opérationnel grâce à différentes améliorations telles que : le fait que la méthode proposée est indépendante de la loi de probabilité suivie par les obstacles ; les contraintes physiques de manœuvrabilité, inertie etc. des différents systèmes, sont prises en compte ; l’utilisation de méthodes originales de discrétisation sous forme de graphe, rendant le système global à la fois flexible et efficace et permettant notamment de considérer plusieurs menaces et de planifier à un horizon temporel conséquent. Le système selon l’invention fait donc appel à un système de discrétisation commun à : un modèle du véhicule maritime ; un modèle des obstacles mobiles, et une méthode de planification de la trajectoire basée sur ces éléments. Ainsi, le système de discrétisation consiste à discrétiser l’espace continu dans lequel la trajectoire doit être planifiée. Cet espace continu est alors un espace à quatre dimensions, trois pour l’espace et une pour le temps, en créant une grille cartésienne de dimension 4. On distingue alors les éléments spatiaux pour les trois premières dimensions, des éléments temporels pour la quatrième dimension. Dans la suite de la description, ce système de discrétisation sera la base commune aux différents modèles. Ce système de discrétisation constitue en d’autres termes la forme de stockage de l’information issue de capteurs dans une mémoire du véhicule maritime pour son exploitation par un calculateur par exemple embarqué dans celui-ci. Le modèle du véhicule maritime consiste à représenter la dynamique de l’évolution du véhicule pour lequel la méthode permet de planifier la trajectoire. Ce modèle est par exemple illustré sur la . L’état du véhicule est alors caractérisé à chaque instant par sa position, son orientation et sa vitesse. La position peut être ramenée à un ensemble fini de valeurs possibles en se restreignant au centre des éléments spatiaux du système de discrétisation. L’évolution de cet état est régie par des équations différentielles connues, issues du principe fondamental de la dynamique permettant d’établir, pour un état donné et à un instant t, une composante temporelle du système de discrétisation commun, les étapes possibles à l’instant t + 1, toujours dans le système de discrétisation commun. Ces transitions d’un état à un autre sont pré-calculées en amont et stockées dans des mémoires sur des tables de correspondance. Ainsi le calculateur embarqué n’a plus qu’à lire la donnée dans la table afin d’optimiser le temps de calcul. Un obstacle mobile est quant à lui caractérisé par son état estimé à l’instant du lancement de la planification et d’un modèle d’évolution stochastique considéré comme connu. Son état est caractérisé par sa position et sa vitesse. Cet état est estimé à l’aide des données issues des capteurs embarqués sur le véhicule. Ainsi on parle des capteurs permettant d’établir la situation environnante et donc principalement les capteurs de type sonar, caméra, lidar, radar… Quant au processus stochastique, il peut être approché par un modèle discret représentant la probabilité de présence du mobile sur un point du système de discrétisation commun à chaque instant t. Cette probabilité peut être estimée à l’aide d’une méthode telle que par exemple la méthode de Monte-Carlo illustrée sur la . A partir du modèle de véhicule maritime, du modèle d’obstacle mobile et pour chaque transition possible entre deux dates consécutives de la composante temporelle de l’espace de discrétisation, il est alors possible d’évaluer la fonction de coût entre ces deux dates. Comme indiqué précédemment le coût correspond à une mesure associée à la trajectoire suivie entre le point de départ et le point d’arrivée et concerne par exemple une distance, une consommation de carburant, un risque de collision… La fonctionnelle à minimiser est approchée par la somme discrète des coûts entre chaque arc. La trajectoire optimale calculée est alors l’une des trajectoires pour laquelle la fonctionnelle est minimale. Ainsi, il est possible d’établir la trajectoire optimale comme étant celle pour laquelle la fonction coût est minimisée. Elle peut être identifiée puisque le nombre de transitions possibles est fini. Elle est calculée efficacement par des algorithmes par exemple de recherche dans un graphe. Le module de détermination correspondant est alors intégré alors dans un calculateur embarqué par exemple, permettant de fournir la meilleure trajectoire selon la discrétisation établie. Cette trajectoire peut ensuite être une aide à la décision pour des personnes en charge de la conduite du véhicule, en délivrant alors à un opérateur des informations d’aide à la conduite de ce véhicule, ou encore en délivrant directement des informations de commande d’au moins un organe de conduite du véhicule. Un tel système est illustré de façon schématique sur la , où l’on reconnaît un système de discrétisation commun désigné par la référence générale 1, associé à un modèle du véhicule désigné par la référence générale 2 et à un modèle du ou des obstacles désigné par la référence générale 3. Le calcul des coûts est alors réalisé par des moyens de calcul 4, et l’optimisation par des moyens 5, ce qui permet de délivrer la trajectoire par des moyens d’établissement 6. De nombreuses applications d’un tel système peuvent alors être envisagées. Ainsi par exemple on peut envisager l’aide à la décision pour la reprise de vue d’un sous-marin, si la navigation est à immersion périscopique par exemple, l’autonomie décisionnelle embarquée pour un drone, une optimisation de la discrétion acoustique par exemple d’un sous-marin dans un théâtre opérationnel multi-menaces, le calcul d’une route de réversibilité pour l’atteinte d’une cible par un sous-marin, etc. Système de planification d’une trajectoire optimisée d’un véhicule maritime dans un espace continu, caractérisé en ce qu’il comporte : - des moyens (1) de discrétisation de l’espace continu dans lequel la trajectoire du véhicule doit être planifiée, associés à un modèle du véhicule (2) et à un modèle du ou de chaque obstacle mobile (3) dans cet espace ; - des moyens (4) de calcul de la fonction de coûts pour chaque transition possible entre deux dates consécutives de la composante temporelle de cet espace ; et - des moyens (5, 6) d’établissement de la trajectoire optimale comme étant celle pour laquelle la fonction coût est minimisée. Système de planification selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’espace continu est un espace en quatre dimensions, trois pour l’espace et une pour le temps, en créant une grille cartésienne de dimension 4. Système de planification selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le modèle du véhicule représente la dynamique de l’évolution du véhicule en position, orientation et vitesse. Système de planification selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le modèle d’obstacle mobile est caractérisé par son état estimé à l’instant du lancement de la planification et d’un modèle d’évolution stochastique connu de celui-ci. Système de planification selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est embarqué à bord du véhicule. Système de planification selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est adapté pour délivrer à un opérateur, des informations d’aide à la conduite du véhicule. Système de planification selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il est adapté pour délivrer des informations de commande d’au moins un organe de conduite du véhicule.