FR 2669435 A1 19920522 FR 9014264 A 19901116 PROCEDE El DISPO Si'HF DE POSITIONNEMENT D'UNVEHICULE AVEC RECALAGE DE L'ANGLE DE CAP RELATIF L'invention se rapporte au domaine technique de l'aide à la navigation des véhicules automobiles Elle concerne plus particulièrement le positionnement d'un véhicule au cours de son déplacement. Les systèmes d'aide à la navigation ont déjà fait l'objet de nombreuses publications La publication FR 2507 314 décrit notamment un appareil perfectionné pour indiquer la route suivie par un véhicule Celle-ci est exprimée à l'aide de coordonnées bidirectionnelles obtenues arithmétiquement à partir de la distance parcourue La publication FR 2526 192 mentionne un autre appareil indicateur d'emplacement de véhicule, assurant le repérage de celui-ci à partir de ses coordonnées, et capable en outre de décrire son déplacement. Les systèmes d'aide à la navigation sont d'autant plus efficaces, et par là même, les manoeuvres et les décisions du conducteur ou de son copilote électronique d'autant plus sûres, que les informations relatives à sa "position généralisée" (position proprement dite, vitesse, accélération) sont riches On sait que parmi ces informations, la vitesse joue un rôle primordial Dans l'objectif d'améliorer la détermination de la vitesse, l'invention propose un procédé et un dispositif de positionnement en coordonnées curvilignes, grâce auquel l'orientation et l'intensité du vecteur vitesse peuvent être connues à chaque instant avec exactitude. Le procédé de positionnement d'un véhicule en coordonnées curvilignes faisant l'objet de l'invention consiste à mesurer en continu la vitesse linéaire et la vitesse de giration du véhicule, et à en déduire par intégration numérique la distance parcourue le long de la chaussée, l'écart latéral du véhicule par rapport à l'axe central de 2 - la chaussée, et le cap relatif du véhicule par rapport à la tangente locale à cet arc Il est caractérisé en ce que la dérive dans le temps de l'angle de cap relatif du véhicule est recalée régulièrement. Selon un mode de réalisation de l'invention, la vitesse linéaire et la vitesse de giration sont déterminées à partir des vitesses de rotation angulaire des quatre roues. Selon un mode de réalisation de l'invention, le recalage de l'angle de cap relatif est obtenu grâce à des signaux de recalage, émis par des balises supportées par des portiques disposés régulièrement le long de la chaussée, et captés par des récepteurs embarqués sur le véhicule. Selon un mode de réalisation de l'invention, le recalage de l'angle de cap relatif est obtenu à partir de la mesure des temps écoulés entre le captage du signal par les différents récepteurs et à partir de la vitesse du véhicule par rapport au sol. Selon un mode de réalisation de l'invention, la mesure des temps écoulés s'effectue par le comptage de tops émis selon une fréquence fixe. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, comportant un ensemble de trois récepteurs disposés sous le pare-brise du véhicule. Selon un mode de réalisation de l'invention les trois récepteurs sont montés en triangle, les deux premiers récepteurs étant localisés à l'avant du véhicule de façon symétrique à gauche et à droite de l'axe longitudinal du véhicule, et le troisième récepteur étant localisé à l'arrière du véhicule, sur l'axe longitudinal. 3 - Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte une horloge électronique, émettant des tops selon une fréquence fixe. Selon un mode de réalisation de l'invention le dispositif comporte deux compteurs de tops mesurant respectivement le temps écoulé entre le captage du signal par le récepteur avant gauche et par le récepteur arrière, et le temps écoulé entre le captage du signal par le récepteur avant droit et par le récepteur arrière. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte un calculateur déterminant la valeur de l'angle de cap relatif à partir des mesures de temps écoulés. Selon un mode de réalisation de l'invention, la tangente de l'angle de cap relatif calculée est proportionnelle au rapport de la différence entre le temps séparant le captage par le récepteur avant droit du captage par le récepteur arrière, et le temps séparant le captage par le récepteur avant gauche et le captage par le récepteur arrière, sur la somme de ces temps. Selon un mode de réalisation de l'invention, le coefficient de proportionnalité est constant et égal à la cotangente du demi-angle entre les récepteurs avant et le récepteur arrière. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, en liaison avec les dessins annexés sur lesquels: la figure 1 définit l'angle du cap relatif du véhicule, la figure 2 illustre les données relatives à la position et à la vitesse du véhicule en coordonnées curvilignes, 4 - la figure 3 représente schématiquement un véhicule à l'approche d'une balise émettrice du signal infra-rouge, la figure 4 situe l'emplacement des récepteurs sur les véhicules, la figure 5 explicite la détermination de l'angle de cap relatif, la figure 6 est un schéma fonctionnel de l'invention, la figure 7 fait apparaître la dérive du cap relatif au cours du temps et sa correction par les recalages successifs, la figure 8 indique les variations de la précision totale sur le cap en fonction de la largeur du faisceau infra-rouge, la figure 9 met en évidence l'incidence de la longueur du faisceau infra-rouge sur la précision des résultats obtenus, la figure 10 représente la plage de variation de l'angle CL. La figure 2 illustre les composantes de la position de la vitesse du véhicule en coordonnées curvilignes Dans ce système de coordonnées, le véhicule est repéré relativement à la nappe géométrique formée par la surface de la route, à l'aide du quadruplet position, vitesse s,ao,\, V, o S est la distance parcourue le long d'un arc ( Y) de référence depuis une certaine origine placée au début du tronçon routier -5 - L. \ est l'écart latéral du véhicule relativement à l'arc (Y (positif à gauche, négatif à droite) o est la direction du véhicule relativement à la tangente locale à ( Y) V est l'intensité de la vitesse linéaire du véhicule Par construction, l'arc de référence ( y) coïncide avec une des lignes de séparation des voies Il est au milieu de la chaussée si le nombre de voies est pair Les coordonnées curvilignes s'interprètent de la façon suivante: S et sont les positions longitudinales et latérales du véhicule O mesure l'orientation du véhicule par rapport aux voies, révélant ainsi les manoeuvres de changement de voie. Le système de positionnement qui en découle nécessite la mesure en continu des deux quantités suivantes: -l'intensité de la vitesse linéaire V (m/s) la vitesse de giration ce qui est la vitesse angulaire de lacet (rad/s). En exploitant les mesures de vitesse angulaire des quatre roues, il est possible de déterminer l'intensité V de la vitesse linéaire, ainsi que la vitesse de giration Par intégration numérique, on en déduit les quantités s, Le cap relatif ç, est donc une valeur intégrée. Pour cette raison, elle dérive avec le temps Il en est de mêmedeset de >. 6 - De plus, le calcul des coordonnées de position S et (qui dérivent elles aussi avec le temps) nécessite la connaissance en continu de l'angle c M D'o la nécessité de recaler le cap régulièrement grâce à un ou des dispositifs extérieurs au véhicule. Cette dérive de la valeur du cap relatif calculée et sa correction par des recalages successifs est illustrée par la figure 7. La figure 3 représente schématiquement un véhicule 1 parvenant à proximité d'un portique 2 disposé au dessus de la chaussée 3 Sur ce portique 2 est disposée une balise (non représentée) La balise émet un signal infra-rouge 4 vers les véhicules 1 passant à sa hauteur Ce signal 4 émis perpendiculairement à la route et dont la largeur au sol est très faible (environ 10 cm) transporte un message de quelques octets. Le signal est capté par des récepteurs miniatures 5 placés sous le parebrise 7 du véhicule La mise en oeuvre de l'invention suppose la disposition régulière de portiques 2 le long de la chaussée. Sur la figure 4 on voit que le véhicule est équipé de trois récepteurs ( 5 g, 5 d, 5 ar) disposés en triangle sous le pare-brise 7 Les deux récepteurs avant ( 5 g, 5 d) sont distants mutuellement d'une longueur e. Ils sont placés de façon symétrique de part et d'autre de l'axe longitudinal 8 du véhicule Le troisième récepteur (Sar), disposé à l'arrière du véhicule, est placé sur l'axe longitudinal 8. -7 Il est distant des deux récepteurs avant d'une longueur d. Sur cette figure, o", désigne le demi-angle entre les récepteurs avant et le récepteur arrière Par définition de l'angle o&, on a x des trois récepteurs sur le véhicule. Sur la figure 5, apparaît l'angle o X de cap relatif du véhicule 1 Le recalage de l'angle X est basé sur la mesure des durées t A" et ba ainsi définies: T "_ est l'intervalle de temps qui sépare le captage du signal par le récepteur avant droit ( 5 d) du captage par le récepteur arrière ( 5 ar), t c 65 i l'intervalle de temps qui sépare le captage du signal par le récepteur avant gauche ( 5 g) du captage par le récepteur arrière (Sar) Les intervalles de temps T_ et ZX sont mesurés par le comptage de tops émis selon une fréquence fixe f par l'horloge électronique 9 mentionnée sur le schéma fonctionnel de la figure 6 Ce schéma fait en outre apparaître deux compteurs de tops 10 et un calculateur 11. La vitesse linéaire V du véhicule doit être comprise entre deux valeurs extrêmes: Vmin et Vmax Cette contrainte autorise le choix de compteurs de tops d'une capacité de 16 bits seulement D'autres modes de réalisation de l'invention mettent en oeuvre des compteurs de capacité supérieurs à 16 bits, permettant des valeurs plus faibles pour la vitesse minimale Vmin. En notant Nd (respectivement Ng) le nombre de tops comptés pendant les durées T, (respectivement), on a: -8 - Nd= ' x f Ng= 'x f Puisque la valeur maximale des durées bd_ et ta est d/Vmin, le nombre maximal de tops vaut Nmax= Numériquement, avec f = 20 k Hz, d = 3 m et Vmin = 2 m/s 1 5 Nmax_ 3 x 20000 30000 tops La capacité des compteurs sera donc d'au moins 16 bits: 15 bits au moins pour le comptage et un bit pour indiquer les dépassements de capacité. Le calcul effectué par le calculateur 10 repose sur les hypothèses suivantes, qui sont détaillées dans l'annexe 1, tandis que l'annexe 2 expose un calcul d'incertitude sur l'angle calculé: la vitesse V rueste constante pendant les intervalles de temps T_ t} k la vitesse V a pour direction l'axe longitudinal du véhicule et son intensité est connue avec une bonne précision, l'angle est borné entre deux valeurs extrêmes: min = comme l'illustre la figure 10. a m À a 2669435 9 - La figure 4 montre qu'en projetant la longueur d sur l'axe du véhicule, on obtient les distances qui séparent les réceptions du signal par les récepteurs avant 5 d, 5 ar de la réception par le récepteur arrière Sar Nous obtenons donc les deux équations suivantes (projections d'angles i &-o et X +): dcos(a-c o) = Vr Td (e) d cos(a + ao) = Vr, D'o il vient: cosa V X(rd +) 2 d cos x (rdarg) v sina X(Td, 2 d sin aor Et donc: tga = cotg O aTd Ir rd +T On peut finalement écrire: (E) a = Arctg (Ko x rd -) Cette formule permet de calculer l'angle de cap relatif o( à partir de T et, ces durées étant mesurées électroniquement quand le véhicule franchit le faisceau Infra-Rouge Le coefficient Ko est une constante car il ne dépend que de la disposition géométrique des récepteurs dans l'habitacle. - Annexe 1: Hypothèse de cacul On suppose que la vitesse V a pour direction l'axe longitudinal du véhicule (on néglige les dérapages transverses) On suppose également que l'intensité de la vitesse V reste constante et est connue à l'instant du recalage, avec une bonne précision. Les compteurs de tops d'horloge ayant une capacité limitée, nous sommes contraints de limiter les valeurs de la vitesse entre deux bornes: Vmin s- -11- D'autre part, nous avons choisi les valeurs suivantes: Vmax = 50 m/s ( 180 Km/h) Vmin = 2 m/s ( 7 Km/h) et pour borner la vitesse V et l'angle o( o( max = 15 degrés ( 0 26 radians) Annexe 2: Calcul d'incertitude Les calculs d'incertitude sont opérés de façon classique, par différentiationet majoration "au pire" Nous allons donc calculer la différentielle k à partir de la formule (E) puis majorer | 6 a I. La formule (E) s'écrit également: tg= Kox Td T-g rd + Tg En différentiant cette équation, on obtient: 3 (tgo,) t K 4-Kx 5 (rd T -) () rd +:K x(Td + Tg' D'autre part, on sait que: (tg)= ( 1 +tg 2)x f:' * h ( 4) 12- En éliminant (tg a) entre les équations 1 et 2: 6 Ko x 6 a = Td+'g 1 + tg 2 a Ko x 6 (rd+)rg 1 + tg 2 a En utilisant (E) En utilisant (E): a= tg cx 1 + tg 2 a tga 1 a Imam, = 1 i +tgea 6 Ko + \a+rg V 70 ard+rg ( Ko T d+d Cette équation permet de calculer la l'incertitude sur le calcul du cap dûs aux qui apparaissent dans la formule (E). Un calcul élémentaire de variations montre soit la valeur de l'angle od: contribution à différents termes que, quelle que tgoa i (L) i 43. soit encore: { 6, a, ( 5) en notant: F Ird rg rd + rg et e Ko = l'incertitude relative sur Ko, e F = l'incertitude relative sur F et les contributions à l'incertitude absolue sur l'angle a: Z Aao = X e Ko Aatr = 2 X e F = 2 INCERTITUDE CAUSEE PAR LE FACTEUR Ko Calculons la valeur de la précision relative facteur Ko. L'angle % étant assez petit, on peut faire l'approximation tg ao m sin a O et donc, 1 2 d Ko = cotg ao = s Mao e ( 6) F) sur le 14- soit: K 2 d KoeD'o par différentiation: * 10 6 Ko 6 d 6 e Ko d e ( 8) On peut raisonnablement supposer que les longueurs e et d sont précises à + 0 5 %, ce qui revient à dire que les tolérances sur e et d sont inférieures respectivement à + 3 mmm et + 7 mm L'incertitude relative sur le facteur Ko étant la somme des incertitudes relatives sur d et e (d'après l'équation 8), elle vaut: I Ko I Ild e +O 5 % + O 5 % = 0 01 soit: e Ko t 0 01 Finalement, l'incertitude absolue sur O ( au maximum: due à K vaut donc O Aa Ko = x e Ko = 0 0050 rad | A Ko = 0 0050 rad ( 0 29 degrés) INCERTITUDE CAUSEE PAR LES MESURES Tt_ ET tr D'après les équations 5 et 7, l'incertitude absolue sur due aux mesures vaut: 6 (d frl) Za = 1 X ('-d±Tr 2 'rd+* 9 Soit il l'incertitude absolue sur les durées ret r Je N rapide calcul montre que: "esures des Id( 1rd-) I Ar 2 (C+"), Td + rg De plus, la valeur du cap c étant bornée par des valeurs relativement faibles, les deux équations de projection (e) permettent de faire l'approximation très grossière (mais très utile): d t d v D'o on tire: /T 1 /\ 1 r Ad AV d +Tg-X x - ra + rg 92 T 2 d V 16- et donc: a T 2 x ( d + 'AV Dans ( 9), le terme représente la variation relative de V la vitesse pendant la durée de la mesure Nous avons contraint la vitesse à ne pas varier de plus de 1 % pendant la mesure, ce qui veut dire: AV -V Le terme t de l'équation ( 9) représente l'incertitude relative sur la longueur d (voir figure 3) pour les mesures de temps et Son origine est double: tolérance sur les dimensions e et d imprécision due à la largeur du faisceau infra-rouge. Au paragraphe précédent, nous avons admis 0 5 % d'imprécision relative sur d (tolérance de construction): (ad) 0 0050 ( dimension Quant à la part d'incertitude relative causée par la largeur non-nulle du faisceau, elle vaut (voir figure 9) l'incertitude absolue sur ce vaut finalement: 17- d) faisceau 4, lr (cmi) d 300 = 0 0033 x li, (cm) l'incertitude absolue sur a vaut finalement: Aa, x ( 0 0050 + 0 0033 x I, (cm) + 0 001 O 0.0075 + 0 0017 x li, (cm) Il reste à y ajouter la part d'incertitude relative due au comptage électronique (par tops d'horloge) Cette quantité a en effet été négligée dans les approximations conduisant à l'équation, ce que nous justifions maintenant. Il suffit donc de mesurer les durées t avec une précision absolue As d'au moins 50 micro-secondes pour que l'incertitude relative supplémentaire soit négligeable: Ar ( 0.00042 x 50 10-6 x 50/3). Finalement nous prendrons: Aa , (rad) = 0 0080 + 0 0017 x li, (cm) |Aac, (deg) = 0 46 + 0 10 x li, (cm) largeur faisceau li, (cm) O 5 10 15 20 incertitude Aar ( 10-2 rad)0 80 1 65 2 5 3 35 4 2 (deg) 0 46 O 95 1 43 1 9 2 4 18 - REVENDICATIONS l 1 l Procédé de positionnement d'un véhicule ( 1) en coordonnées curvilignes selon lequel on mesure en continu la vitesse linéaire V et la vitesse de giration co du véhicule, et on -en déduit par intégration numérique la distance S parcourue le long de la chaussée, l'écart du véhicule X par rapport à l'arc central de la chaussée et le cap relatif v, du véhicule par rapport à cet arc, caractérisé en ce que la dérive dans le temps de l'anglec de cap relatif est recalée régulièrement. l 2 l Procédé de positionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la vitesse linéaire V et la vitesse de giration wo sont déterminées à partir des vitesses de rotation angulaire des roues. l 3 l Procédé de positionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le recalage de l'angle de cap relatif o est obtenu grâce à des signaux de recalage émis par des balises supportées par des portiques ( 2) disposés régulièrement le long de la chaussée, et captés par des récepteurs embarqués sur le véhicule. l 4 l Procédé de positionnement selon la revendication 3 caractérisé en ce que le recalage de l'angle de cap relatif o partir de la vitesse du véhicule par rapport au sol. 19 - l 5 l Procédé de positionnement selon la revendication 4 caractérisé en ce que la mesure des temps écoulés s'effectue par le comptage de tops émis selon une fréquence fixe. l 6 l Dispositif de positionnement pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte trois récepteurs ( 5 g, 5 d, 5 ar) disposés sous le pare-brise du véhicule. l 7 l Dispositif de positionnement selon la revendication 6, caractérisé en ce que les récepteurs ( 5 g, 5 d, 5 ar) sont montés en triangle, les deux premiers ( 5 g, 5 d) étant localisés à l'avant du véhicule ( 1) de façon symétrique à gauche et à droite de l'axe longitudinal ( 8) du véhicule ( 1) et le troisième récepteurs ( 5 ar) étant localisé à l'arrière du véhicule ( 1), sur l'axe longitudinal ( 8). l 8 l Dispositif de positionnement selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une horloge électronique, émettant des tops selon une fréquence fixe f. l 9 l Dispositif de positionnement selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte deux compteurs de tops ( 10) mesurant respectivement le temps écoulé entre le captage du signal par le récepteur avant gauche ( 5 g) et par le récepteur arrière ( 5 ar), et le temps écoulé T, entre le captage du signal par le récepteur avant droit ( 5 d), et par le récepteur arrière ( 5 ar). - l 10 l Dispositif de positionnement selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un calculateur ( 11) déterminant la valeur de l'angle de cap relatif o( à partir des mesures de temps écoulés i et v l 11 l Dispositif de positionnement selon la revendication , caractérisé en ce que la tangente de l'angle de cap relatif calculée f eoc est proportionnelle au rapport de la différence entre le temps tô séparant le captage par le récepteur avant droit du captage par le récepteur arrière, et le temps yn séparant le captage par le récepteur avant gauche et le récepteur arrière, sur la somme de ces deux temps l 12 l Dispositif de positionnement selon la revendication 11, caractérisé en ce que le coefficient de proportionnalité Ko est constant et égal à la cotangente du demi-angle c O avant ( 5 g, 5 d) et le récepteur arrière ( 5 ar).