Brevet FR3120691A1 — publié le 20220916

Procédé, dispositif de navigation et produit programme d’ordinateur d’aide à la navigation d’un véhicule doté d’un dispositif de navigation comprenant les étapes suivantes acquisition (201) de valeurs a priori de variables cinématiques du dispositif de navigation, une détermination (202) de valeurs courantes respectives de variables cinématiques du dispositif de navigation et d’une matrice d’incertitude courante représentative d’une incertitude des valeurs courantes respectives des variables cinématiques, à partir de valeurs précédentes respectives des variables cinématiques, une détermination (203) d’une correction une mise à jour (204) des valeurs courantes respectives des variables cinématiques à partir de la correction et de la matrice d’incertitude courante. Figure pour l’abrégé : Fig. 4 Procédé d’aide à la navigation d’un véhicule DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des procédés de navigation d’un véhicule. Elle concerne plus particulièrement les procédés de navigation dits hybrides. ETAT DE LA TECHNIQUE Les procédés de navigation hybrides sont des procédés dans lesquels des mesures issues de plusieurs capteurs (accéléromètres, gyroscopes, GPS, etc.) sont fusionnées afin de déterminer des variables ou informations cinématiques définissant l’état d’un dispositif mettant en œuvre le procédé. Ces variables cinématiques sont, par exemple, une position, une vitesse ou une orientation du dispositif. Les mesures sont, par exemple, des mesures inertielles, par exemple obtenues d’accéléromètres et de gyroscopes, comme la force spécifique, la vitesse angulaire ou vitesse de rotation du dispositif, des mesures de vitesse ou des mesures de position du dispositif. La force spécifique est la somme des forces extérieures autres que gravitationnelles divisée par la masse. Cette quantité a donc la dimension d'une accélération On connaît les filtres de Kalman linéaires dont un exemple est représenté sur la . Sur la ligne du milieu, on voit que l’état estimé subit une série de propagations (utilisant les mesures inertielles) et de mises à jour (utilisant un capteur additionnel comme un récepteur GPS ou un odomètre, une caméra, etc.). Les mises à jour sont des corrections de la valeur de l’état estimé prenant en compte la nouvelle mesure issue du capteur additionnel. Le capteur ne donne pas la correction à apporter, il donne seulement une mesure dépendant des variables à estimer. La différence entre cette mesure et la valeur estimée du paramètre cinématique est appelée "innovation". Pour transformer cette innovation en une correction de l’état du dispositif, une matrice K dite « de gains » est nécessaire. Elle est calculée à partir de l’équation de Riccati apparaissant sur la ligne du bas. Cette équation entretient une incertitude (ou « matrice de covariance ») permettant de construire la matrice de gains. Si l’estimation de l’état est fausse, les mesures combinées aux matrices de gains permettront de la corriger au fil du temps. Cependant ces filtres de Kalman linéaires ne peuvent pas fonctionner dans le cas où le modèle décrivant l’état à estimer n’est pas linéaire. Dans ce cas, il faut utiliser un filtre de Kalman non linéaire (ou « étendu ») représenté sur la . Sur la , on représente par la flèche allant de la ligne du milieu à la ligne du bas l’état estimé du dispositif. Cet état estimé est utilisé pour calculer l’incertitude et les gains. Par conséquent, une rétroaction apparaît et une erreur sur l’état estimé induit une erreur sur les gains qui induit à son tour une erreur sur l’état estimé. La stabilité d’un filtre de Kalman étendu dépend entièrement de l’intensité de cette rétroaction. Cette rétroaction n’est pas intrinsèque au système considéré et dépend du système de coordonnées utilisé, qui a une grande importance pour le filtrage de Kalman étendu. Plus précisément, la rétroaction dépend des coordonnées utilisées pour la représentation des erreurs, appelées « variables d’erreurs ». Un système de variables d’erreur courant pour le filtrage de Kalman étendu est simplement (avec , , les variables d’orientation, de vitesse et de position) : Un système de variables d’erreurs utilisé pour construire un filtre invariant de fusion inertie-GPS et permettant de supprimer presque entièrement la rétroaction est : Un système de variables d’erreurs utilisé pour construire un filtre invariant de fusion inertie-odométrie et permettant de supprimer presque entièrement la rétroaction est : Mais aucun des deux systèmes de variables d’erreurs précédents ne permet de supprimer fortement la rétroaction à la fois pour la fusion inertie-GPS et la fusion inertie-odométrie. En particulier, aucun ne permet de fusionner dans un même filtre des mesures inertielles, des mesures de position et des mesures de vitesse odométrique. L’invention rend possible cette fusion à l’aide de la dernière variable d’erreur définie ci-dessus. On connait aussi l’utilisation de deux filtres utilisant indépendamment les mesures des capteurs de position et des capteurs d’odométrie. Cependant ceci ne permet pas de fusionner ces mesures et donc le résultat est sous-optimal et correspond approximativement à la performance du meilleur des deux filtres. Il y a donc un besoin pour un nouveau type de procédé de navigation qui permet de fusionner des mesures de position et des mesures d’inertie. L’invention propose de remédier aux inconvénients précités. A ce titre, l’invention propose, selon un premier aspect, un procédé d’aide à la navigation d’un véhicule doté d’un dispositif de navigation comprenant les étapes suivantes : une acquisition de valeurs a priori de variables cinématiques du dispositif de navigation, une détermination de valeurs courantes respectives de variables cinématiques du dispositif de navigation et d’une matrice d’incertitude courante représentative d’une incertitude des valeurs courantes respectives des variables cinématiques, à partir de valeurs précédentes respectives des variables cinématiques, une détermination d’une correction à partir des valeurs courantes respectives des variables cinématiques, d’une matrice d’incertitude courante représentative d’une incertitude des valeurs courantes respectives des variables cinématiques, d’une mesure d’une des variables cinématiques, et d’une matrice de gain dépendant de la mesure, une mise à jour (204) des valeurs courantes respectives des variables cinématiques à partir de la correction et de la matrice d’incertitude courante. Ainsi ce procédé permet de déterminer la valeur des variables cinématiques du dispositif de navigation. Il offre une navigation plus précise en combinant toutes les mesures disponibles dans un même filtre. Dans un mode de réalisation les variables cinématiques comprennent une orientation du dispositif de navigation (DISP) dont une valeur courante est une matrice d’orientation courante et dont une valeur précédente est une matrice d’orientation précédente, une vitesse du dispositif de navigation (DISP) dont une valeur courante est un vecteur vitesse courant et une valeur précédente est un vecteur vitesse précédente et une position du dispositif de navigation (DISP) dont une valeur courante est un vecteur position courant et une valeur précédente est un vecteur position précédent. La matrice d’incertitude courante est représentative d’une incertitude de la matrice d’orientation courante, du vecteur vitesse courant et du vecteur position courant. La matrice d’incertitude précédente est représentative d’une incertitude de la matrice d’orientation précédente, du vecteur vitesse précédent et du vecteur position précédent. Dans un mode de réalisation on détermine une fonction d’observation virtuelle à partir de la mesure, une matrice d’observation obtenue en appliquant un développement limité au premier ordre à la fonction d’observation virtuelle et la matrice de gain obtenue à partir de la matrice d’observation. Dans un mode de réalisation les valeurs courantes sont associées à un instant courant et les valeurs précédentes sont associées un instant précédent. La détermination des valeurs courantes des variables cinématiques comprend une détermination du vecteur vitesse courant par ajout au vecteur vitesse précédent d’une intégration, sur un intervalle temporel compris entre l’instant précédent et l’instant courant, d’une somme d’une force spécifique du dispositif de navigation et d’un modèle d’une gravité terrestre subie par le dispositif de navigation, une détermination du vecteur de position courant par ajout au vecteur de position précédent d’une intégration, sur l’intervalle temporel, du vecteur vitesse précédent, une détermination de la matrice d’orientation courante par multiplication de la matrice d’orientation précédente avec une matrice représentative d’une rotation du dispositif de navigation, et/ou une détermination de la matrice d’incertitude courante à partir de la matrice d’incertitude précédente. Dans un mode de réalisation la mesure est une mesure de la position du dispositif de navigation, la détermination de la correction comprend une soustraction du vecteur position courant et de la mesure de la position, et une multiplication de la soustraction par la matrice de gain. Dans un mode de réalisation, la correction est un vecteur de correction, la mise à jour comprend une sous-étape de mise à jour de la matrice d’orientation courante par multiplication d’une matrice de rotation d’une première partie du vecteur de correction et de la matrice d’orientation courante, une sous-étape de mise à jour du vecteur de vitesse courant par ajout à une deuxième partie du vecteur de correction d’une multiplication de la matrice de rotation de la première partie du vecteur de correction et du vecteur de vitesse courante, et/ou une sous-étape de mise à jour du vecteur de position courant par ajout à une troisième partie du vecteur de correction d’une multiplication de la matrice de rotation de la première partie du vecteur de correction et du vecteur de position courant. Dans un mode de réalisation, les valeurs courantes respectives des variables cinématiques sont des premières valeurs courantes respectives des variables cinématiques, les valeurs précédentes respectives des variables cinématiques sont des premières valeurs précédentes respectives des variables cinématiques, la correction est une première correction, la mesure d’une des variables cinématiques est une première mesure d’une des variables cinématiques, la matrice de gain est une première matrice de gain. Le procédé comprend en outre une détermination de deuxièmes valeurs courantes respectives des variables cinématiques d’un dispositif de navigation, à partir de deuxièmes valeurs précédentes respectives des variables cinématiques, une détermination d’une deuxième correction à partir des deuxièmes valeurs courantes respectives des variables cinématiques, d’une deuxième mesure d’une des variables cinématiques et d’une deuxième matrice de gain. Le procédé comprend aussi une mise à jour des deuxièmes valeurs courantes respectives des variables cinématiques à partir de la deuxième correction. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une détermination de valeurs consolidées respectives des variables cinématiques à partir des premières valeurs courantes respectives des variables cinématiques et des deuxièmes valeurs courantes respectives des variables cinématiques. Dans un mode de réalisation, la détermination de valeurs consolidées respectives des variables cinématiques comprend une détermination d’une similitude entre les premières valeurs courantes et les deuxièmes valeurs courantes et lorsque la similitude dépasse un seuil la détermination comprend un moyennage des premières valeurs courantes et des deuxièmes valeurs courantes ou un moyennage pondéré des premières valeurs courantes et des deuxièmes valeurs courantes ou une sélection des premières valeurs courantes ou des deuxièmes valeurs courantes. Un autre aspect de l’invention concerne un dispositif de navigation comprenant une unité de traitement, trois accéléromètres, trois gyroscopes et un dispositif de mesure d’une position du dispositif de navigation. L’unité de traitement est configurée pour la mise en œuvre du procédé d’aide à la navigation. Un autre aspect de l’invention concerne un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé d’aide à la navigation. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : La représente un filtre de Kalman linéaire. La représente un filtre de Kalman étendu. La représente un dispositif de navigation de l’invention. La représente un mode de réalisation du procédé de navigation de l’invention. La illustre le fonctionnement du procédé de navigation. La illustre le fonctionnement du procédé de navigation. La représente un deuxième mode de réalisation du procédé de navigation de l’invention. La représente d’une autre manière le deuxième mode de réalisation du procédé de navigation de l’invention. Procédé d’aide à la navigation d’un véhicule doté d’un dispositif de navigation (DISP) comprenant les étapes suivantes : - acquisition (201) de valeurs a priori de variables cinématiques du dispositif de navigation (DISP), - une détermination (202) de valeurs courantes respectives de variables cinématiques du dispositif de navigation (DISP) et d’une matrice d’incertitude courante représentative d’une incertitude des valeurs courantes respectives des variables cinématiques, à partir de valeurs précédentes respectives des variables cinématiques, - une détermination (203) d’une correction à partir : - des valeurs courantes respectives des variables cinématiques, - d’une matrice d’incertitude courante représentative d’une incertitude des valeurs courantes respectives des variables cinématiques, - d’une mesure d’une des variables cinématiques, et - d’une matrice de gain dépendant de la mesure, - une mise à jour (204) des valeurs courantes respectives des variables cinématiques à partir de la correction et de la matrice d’incertitude courante, dans lequel les variables cinématiques comprennent : - une orientation du dispositif de navigation (DISP) dont une valeur courante est une matrice d’orientation courante et dont une valeur précédente est une matrice d’orientation précédente, - une vitesse du dispositif de navigation (DISP) dont une valeur courante est un vecteur vitesse courant et une valeur précédente est un vecteur vitesse précédente et - une position du dispositif de navigation (DISP) dont une valeur courante est un vecteur position courant et une valeur précédente est un vecteur position précédent, la matrice d’incertitude courante étant représentative d’une incertitude de la matrice d’orientation courante, du vecteur vitesse courant et du vecteur position courant, la matrice d’incertitude précédente étant représentative d’une incertitude de la matrice d’orientation précédente, du vecteur vitesse précédent et du vecteur position précédent, dans lequel les valeurs courantes sont associées à un instant courant et les valeurs précédentes étant associées un instant précédent, et la détermination (202) des valeurs courantes des variables cinématiques comprend : - une détermination du vecteur vitesse courant par ajout au vecteur vitesse précédent d’une intégration, sur un intervalle temporel compris entre l’instant précédent et l’instant courant, d’une somme d’une force spécifique du dispositif de navigation (DISP) et d’un modèle d’une gravité terrestre subie par le dispositif de navigation (DISP), - une détermination du vecteur de position courant par ajout au vecteur de position précédent d’une intégration, sur l’intervalle temporel, du vecteur vitesse précédent, - une détermination de la matrice d’orientation courante par multiplication de la matrice d’orientation précédente avec une matrice représentative d’une rotation du dispositif de navigation (DISP), et/ou - une détermination de la matrice d’incertitude courante à partir de la matrice d’incertitude précédente. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on détermine : - une fonction d’observation virtuelle à partir de la mesure, - une matrice d’observation obtenue en appliquant un développement limité au premier ordre à la fonction d’observation virtuelle, - la matrice de gain obtenue à partir de la matrice d’observation. Procédé selon l’une des revendications précédentes, la mesure étant une mesure de la position du dispositif de navigation (DISP), la détermination (203) de la correction comprenant : - une soustraction du vecteur position courant et la mesure de la position, et - une multiplication de la soustraction par la matrice de gain. Procédé selon l’une des revendications précédentes, la correction étant un vecteur de correction, la mise à jour (204) comprenant : - une sous-étape de mise à jour de la matrice d’orientation courante par multiplication d’une matrice de rotation d’une première partie du vecteur de correction et de la matrice d’orientation courante, - une sous-étape de mise à jour du vecteur de vitesse courant par ajout à une deuxième partie du vecteur de correction d’une multiplication de la matrice de rotation de la première partie du vecteur de correction et du vecteur de vitesse courante, et/ou - une sous-étape de mise à jour du vecteur de position courant par ajout à une troisième partie du vecteur de correction d’une multiplication de la matrice de rotation de la première partie du vecteur de correction et du vecteur de position courant. 5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, les valeurs courantes respectives des variables cinématiques étant des premières valeurs courantes respectives des variables cinématiques, les valeurs précédentes respectives des variables cinématiques étant des premières valeurs précédentes respectives des variables cinématiques, la correction étant une première correction, la première mesure d’une des variables cinématiques étant une première mesure d’une des variables cinématiques, la matrice de gain étant une première matrice de gain, le procédé comprenant en outre: - une détermination (202-b) de deuxièmes valeurs courantes respectives des variables cinématiques d’un dispositif de navigation (DISP), à partir de deuxièmes valeurs précédentes respectives des variables cinématiques, - une détermination (203-b) d’une deuxième correction à partir : - des deuxièmes valeurs courantes respectives des variables cinématiques, - d’une deuxième mesure d’une des variables cinématiques et - d’une deuxième matrice de gain, - une mise à jour (204-b) des deuxièmes valeurs courantes respectives des variables cinématiques à partir de la deuxième correction. 6. Procédé selon la revendication 5 comprenant en outre une détermination (401) de valeurs consolidées respectives des variables cinématiques à partir des premières valeurs courantes respectives des variables cinématiques et des deuxièmes valeurs courantes respectives des variables cinématiques. 7. Procédé selon la revendication 6, la détermination (401) de valeurs consolidées respectives des variables cinématiques comprenant une détermination d’une similitude entre les premières valeurs corrigées et les deuxièmes valeurs corrigées et lorsque la similitude dépasse un seuil la détermination (401) comprend - un moyennage des premières valeurs corrigées et des deuxièmes valeurs corrigées ou - un moyennage pondéré des premières valeurs corrigées et des deuxièmes valeurs corrigées ou - une sélection des premières valeurs corrigées ou des deuxièmes valeurs corrigées. Dispositif de navigation (DISP) comprenant : - une unité de traitement (UNIT), - trois accéléromètres (101-a à 101-c), - trois gyroscopes (102-a à 102-c) et - un dispositif de mesure (103-a) d’une position du dispositif de navigation (DISP), l’unité de traitement (UNIT) étant configurée pour la mise en œuvre du procédé d’aide à la navigation selon l’une des revendications 1 à 8. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé d’aide à la navigation selon l’une des revendications 1 à 7, lorsque celui-ci est exécuté par un processeur.