PARTIR DE LA MESURE DU CHAMP MAGNETIQUE

DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR

La présente invention concerne de façon générale les techniques magnéto- inertielles.

Plus précisément, elle concerne la détermination de cap par des magnétomètres.

Elle trouve en particulier avantageusement application dans le cas de mesures en milieu urbain ou « indoor », c'est-à-dire à l'intérieur de bâtiments.

On utilise classiquement les magnétomètres pour le calcul du cap dans des systèmes embarqués.

Dans ce cas, on fait l'hypothèse que le champ magnétique mesuré par le capteur est le champ magnétique terrestre qui pointe, pour sa composante horizontale, vers le nord magnétique. La différence entre la direction du nord magnétique et du nord géographique (appelée déclinaison magnétique) est connue et tabulée. Sans perte de généralités, on considérera donc dans la suite que le nord magnétique et le nord géographique sont confondus, et que les magnétomètres indiquent donc ce qu'on appellera le nord.

Typiquement, les méthodes de détermination utilisées pour le calcul du cap à partir des mesures de magnétomètres s'appuient sur :

une modélisation qui relie la mesure fournie par le magnétomètre et une information relative au cap du système,

- une caractérisation de la pertinence de cette relation pour les mesures réalisées.

Dans une approche classique, le calcul mis en œuvre peut être un filtrage de type Kalman avec le champ magnétique comme mesure, permettant de recaler le cap qui est contenu dans l'état, avec un bruit de mesure fonction de la caractérisation de la pertinence. La modélisation consiste à écrire que le champ magnétique mesuré M contient une information de cap, par exemple par l'équation

M = R(i , e, (p) ^T M _TERRE

où R est la matrice de rotation permettant de passer du référentiel de l'objet vers le référentiel inertiel terrestre, ψ, θ, φ les angles d'Euler et M _TERRE le champ magnétique terrestre.

La pertinence de cette équation est caractérisée par une variance de mesure, c'est-à-dire que l'on suppose que l'erreur de cette égalité est une variable aléatoire gaussienne d'espérance nulle.

Cette variance sert à calculer automatiquement le gain de Kalman qui pondère le recalage pour tenir compte des différents bruits (bruits dynamiques liés à l'environnement externe et bruits de mesure des magnétomètres).

Dans une autre approche encore, on met en œuvre un calcul par filtrage linéaire utilisant le même type de modélisation et de caractérisation.

Dans cette approche, c'est le réglage relatif de l'amplitude du gain de l'équation qui en caractérise la pertinence. En général, ce gain est réglé à la main. L'homme de l'art saura alors le pondérer en fonction de la pertinence de la modélisation.

Ainsi, dans ces deux approches, les paramètres caractérisant la pertinence du modèle (variance du bruit gaussien dans le cas du filtre de Kalman, gain dans le cas du filtrage linéaire) sont généralement des paramètres constants, indépendants du champ magnétique mesuré.

Il a récemment été proposé, par exemple dans les publications

- W. T. Faulkner, R. Alwood, W. T. David, and J. Bohlin, "Gps-denied pedestrian tracking in indoor environments using an imu and magnetic compass," in Proceedings of the 2010 International Technical Meeting of

The Institute of Navigation, (San Diego, CA), pp. 198 - 204, January 2010. M. H. Afzal, V. Renaudin, and G. Lachapelle, "Magnetic field based heading estimation for pedestrian navigation environments," in 2011 International Conférence on Indoor Positioning and Indoor Navigation, (Guimaraes, Portugal), Sep 201 1.

des caractérisations de la pertinence de la modélisation prenant en compte le champ magnétique mesuré.

Les caractérisations ainsi réalisées ne donnent toutefois pas pleinement satisfaction. C'est le cas en particulier dans des environnements où le champ magnétique est fortement perturbé, notamment en « indoor » ou en milieu urbain, où des perturbations magnétiques issues des courants électriques ou des éléments métalliques dans les bâtiments se superposent au champ magnétique terrestre.

PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION

Un but général de l'invention est de proposer une solution permettant une meilleure caractérisation de la pertinence de la modélisation utilisée, notamment dans les environnements fortement perturbés.

Notamment, l'invention propose un procédé de détermination de cap, dans lequel un champ magnétique est mesuré par au moins un magnétomètre et un cap magnétique est déterminé à partir de ladite mesure et dans lequel des moyens de calcul mettent en œuvre un traitement calculant, pour chaque mesure de cap magnétique, une valeur de caractérisation du cap ainsi déterminé, caractérisé en ce que ladite valeur de caractérisation est fonction du gradient du champ magnétique mesuré, ladite valeur étant utilisée dans la détermination du cap.

En particulier, ladite valeur de caractérisation est une fonction monotone, préférentiellement croissante, voire strictement croissante (on prendra l'exemple d'une fonction linéaire de coefficient directement positif), d'une norme du gradient, en particulier la norme L2.

On comprend que ladite valeur de caractérisation pourrait être une fonction décroissante de la norme du gradient si par exemple on décide arbitrairement que la valeur de caractérisation à des valeurs de plus en plus basses lorsque le cap est de plus en plus perturbé.

Les moyens de calcul déterminent pour un instant d'échantillonnage donné : une estimation d'une prédiction de cap qui est fonction du cap déterminé à l'instant d'échantillonnage précédent,

un recalage du cap prédit ainsi estimé en fonction d'un cap magnétique déterminé à partir de mesures de magnétomètres, et dans lequel le recalage est déterminé en fonction de ladite valeur de caractérisation, et avantageusement toujours une fonction monotone (en particulier croissante) de la valeur de caractérisation. Ledit recalage est donc avantageusement fonction du gradient du champ magnétique mesuré, et en particulier une fonction monotone (par composition de fonctions monotones) de la norme du gradient. De cette façon, on prend en compte le fait que, plus l'environnement est perturbé, plus le gradient est important et donc plus la mesure de cap est faussée.

Dans un mode de mise en œuvre préférentiel, les moyens de calcul estiment l'amplitude du recalage en fonction :

- d'un modèle d'évolution des perturbations magnétiques entre deux instants d'échantillonnage

et

- d'une estimation a priori de l'amplitude des perturbations.

De cette façon, le traitement prend en compte l'évolution de la perturbation de cap magnétique entre deux instants d'échantillonnage et tient compte de l'éventuelle corrélation spatiale de la perturbation due à l'environnement dans le cas d'instants d'échantillonnage successifs.

Le calcul du qui en résulte est plus fiable que dans l'art antérieur.

Notamment, pour un instant d'échantillonnage donné k +1 , les moyens de calcul estiment une perturbation de cap liée en calculant ou a[k] = 1 - ¾w ²

2a[k] ² et v. (d) est une variable aléatoire gaussienne de variance a[k] ² (l - a[k] ² )

- k étant l'instant d'échantillonnage précédent,

- a[k] étant un paramètre qui représente l'amplitude a priori de la perturbation magnétique, - û et pétant deux paramètres calculés par les moyens de calculs comme une estimation de l'espérance et de la variance de l'évolution de la perturbation.

De façon avantageuse, les moyens de calcul estiment le paramètre a[k] comme une fonction linéaire de la norme du gradient du champ magnétique.

Le paramètre û[k] est quant à lui par exemple calculé par les moyens de calcul comme la différence entre les caps magnétiques déterminés directement à partir des sorties magnétomètres pour les instants k+1 et k, à laquelle est soustraite l'évolution de cap prédite (cû [k\ dt) .

Le paramètre o _u peut être estimé comme fonction de la vitesse de déplacement ou du déplacement entre deux instants d'échantillonnage successifs.

Le traitement met par exemple en œuvre un filtrage Kalman dont l'état a au moins comme paramètre le cap réel et la perturbation de cap magnétique (ψ, i ^d) ) La prédiction de cap peut être déterminée en fonction de mesures d'un ou plusieurs capteurs d'une centrale inertielle.

L'invention concerne en outre un dispositif détermination de cap par des capteurs magnétiques, comportant des magnétomètres et des moyens de calcul pour le calcul du cap à partir du champ magnétique mesuré par lesdits magnétomètres, caractérisé en les moyens de calcul mettent en œuvre, pour différents instants d'échantillonnage successifs, le traitement précité.

Elle propose également un système de navigation magnéto-inertielles comportant au moins un tel dispositif de mesure de cap.

On utilise avantageusement un tel système en environnement urbain ou à l'intérieur de bâtiments.

L'invention concerne également :

un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code pour l'exécution d'un procédé du type précité, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur ;

un moyen de stockage lisible par un équipement informatique sur lequel un produit programme d'ordinateur comprend des instructions de code pour l'exécution d'un tel procédé. PRÉSENTATION 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 figure 1 est un schéma d'équipements pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention ;

- la figure 2 représente plus en détail un exemple de boîtier pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention ;

- la figure 3 illustre les étapes principales d'un procédé conforme à un mode de mise en œuvre de l'invention.

DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET DE RÉALISATION

Généralités - Dispositif de mesure

En référence à la figure 1 , le dispositif de mesure proposé est par exemple utilisé pour l'estimation du mouvement d'un objet 1 évoluant dans un champ magnétique ambiant (typiquement le champ magnétique terrestre, le cas échéant légèrement altéré par les objets métalliques à proximité), noté B. Comme on le sait, le champ magnétique est un champ vectoriel tridimensionnel, c'est-à-dire associant un vecteur de dimension trois à chaque point de tridimensionnel dans lequel l'objet est mobile.

Cet objet 1 peut être n'importe quel objet mobile dont la connaissance de la position est souhaitée, par exemple un véhicule à roues, un drone, etc., mais également un piéton.

L'objet 1 comporte dans un boîtier 2 (support) une pluralité de capteurs de mesure magnétique 20, i.e. des magnétomètres axiaux 20. Par magnétomètre axial, on entend un élément capable de mesurer une composante dudit champ magnétique, i.e. la projection dudit vecteur champ magnétique B au niveau dudit magnétomètre 20 selon son axe. Plus précisément, les magnétomètres 20 sont solidaires du boîtier 2. Ils présentent un mouvement sensiblement identique au boîtier 2 et à l'objet 1 dans le référentiel terrestre.

De façon préférée, le référentiel de l'objet 1 est muni d'un repère cartésien orthonormé dans lequel les magnétomètres 20 présentent une position prédéterminée dans ce repère.

Sur la figure 2, le boîtier 2 est fixé sur l'objet 1 (par exemple un membre du piéton) par des moyens d'attache 23. Ces moyens d'attache 23 consistent par exemple en un bracelet par exemple à bande autoagrippante qui enserre le membre et permet la liaison solidaire.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'estimation du mouvement d'un piéton, mais elle est particulièrement avantageuse dans une telle utilisation car elle permet un encombrement très réduit, ce qui est nécessaire pour que le boîtier soit portable par un humain de façon ergonomique.

Le boîtier 2 peut comprendre des moyens de calcul 21 (typiquement un processeur) pour la mise en œuvre directement en temps réel des traitements du présent procédé, ou bien les mesures peuvent être émises via des moyens de communication 25 vers un dispositif externe tel qu'un terminal mobile (smartphone) 3, voire un serveur distant 4, ou encore les mesures peuvent être enregistrées dans des moyens de stockage de données 22 locaux (une mémoire par exemple de type flash) mémoire locale pour un traitement a posteriori par exemple sur le serveur 4.

Les moyens de communication 25 peuvent mettre en œuvre une communication sans fil à courte portée par exemple Bluetooth ou Wifi (en particulier dans un mode de réalisation avec un terminal mobile 3) voire être des moyens de connexion à un réseau mobile (typiquement UMTS/LTE) pour une communication à longue distance. Il est à noter que les moyens de communication 25 peuvent être par exemple une connectique filaire (typiquement USB) pour transférer les données des moyens de stockage de données 22 locaux à ceux d'un terminal mobile 3 ou d'un serveur 4.

Si c'est un terminal mobile 3 (respectivement un serveur 4) qui héberge « l'intelligence », il comprend des moyens de calcul 31 (respectivement 41 ) tels qu'un processeur pour la mise en œuvre des traitements du présent procédé qui vont être décrits. Lorsque les moyens de calcul utilisés sont ceux 21 du boîtier 2, celui-ci peut encore inclure des moyens de communication 25 pour transmettre la position estimée. Par exemple la position du porteur peut être envoyée au terminal mobile 3 pour afficher la position dans une interface d'un logiciel de navigation.

Les moyens de calcul de données 21 , 31 , 41 respectivement du boîtier 2, d'un smartphone 3 et d'un serveur distant 4 peuvent indifféremment et selon les applications réaliser tout ou partie des étapes du procédé.

Ils comportent à cet effet chacun des moyens de stockage dans lesquels sont mémorisés tout ou partie de séquences d'instructions de code pour l'exécution du procédé. Prédiction et recalage

Les moyens de calcul mettent en œuvre (figure 3) un filtrage 100 calculant d'une part une estimation de la valeur de cap par prédiction (étape 101 ) et d'autre part mettant en œuvre un recalage en fonction d'une estimation d'erreur (étape 102).

Notamment, connaissant la vitesse angulaire ω donnée par exemple par un gyromètre, l'étape 101 calcule le cap i _k+1 à un instant k+1 comme égal à où ifj _k est le cap à l'instant k précédent et où At est la durée séparant ces deux instants d'échantillonnage.

Le recalage 102 prend en compte les mesures réalisées par les magnétomètres 20.

Dans ce qui suit, la mesure du cap magnétique (issue des mesures des magnétomètres) pour un instant k donné est notée z^ [k] , avec

Typiquement, le cap magnétique est donné par

(My[k \

Z* ^[k] = ^Μ ])

où My et Mx sont deux composantes horizontales du champ magnétique dans un référentiel terrestre, ces deux composantes étant calculées en fonction de l'attitude déterminée pour l'objet 1 par une centrale inertielle de celui-ci.

Les moyens de calcul calculent le cap recalé i _k ^e +? ^le correspondant à l'instant k+1 comme égal à la somme du cap estimé i _{k+ 1} à cet instant et d'un recalage qui est avantageusement fonction

- d'un gain K _k calculé ou ajusté par rapport à l'instant k précédent - d'une estimation de l'erreur entre le cap prédit i _{k+ 1} et la mesure ζ _ψ

Ainsi, les moyens de calcul utilisent le cap magnétique issu de la mesure par les magnétomètres pour recaler l'état, et en particulier le cap, en calculant

V _k ^e ₊ ^c Î ^le = Ψκ ₊ ι + K _k . Err(il> _{k+ 1} , z )

Typiquement, l'erreur £ τ(ι > _¾+1 , ζψ) peut être une simple différence entre le cap prédit, estimé à l'instant k+ 1 (avant recalage), et le cap magnétique ζ _ψ issu des mesures des magnétomètres.

D'autres fonctions d'erreurs sont néanmoins possibles, notamment dans le cas d'un filtrage non linéaire.

En particulier, le recalage K _k . Err(ip _k+1 , z^), et plus particulièrement le gain

K _k , peut avantageusement dépendre du gradient du champ magnétique mesuré par les magnétomètres 20. Comme expliqué précédemment, le gain K _k est préférentiellement une fonction monotone, en particulier croissante, d'une norme du gradient.

De cette façon, la correction de recalage est d'autant plus importante que le champ magnétique varie fortement et est donc susceptible d'induire des erreurs importantes sur la mesure de cap.

La valeur de cap recalée ainsi obtenue est stockée par lesdits moyens de calcul 21 , 31 , 41 et/ou utilisée par lesdits moyens pour la suite du traitement et pour les calculs d'informations de navigation magnéto-inertielles (vitesse linéaire, vitesse angulaire, position, cap, etc .).

Egalement, elle peut être transmise par les moyens de calcul à des moyens d'interface, par exemple sur le téléphone pour être affichée sur l'écran de celui-ci. Modèle d'évolution des perturbations liées à l'environnement

On détaille dans ce qui suit un exemple de calcul possible du recalage dans lequel la mesure de cap magnétique ζ _ψ est corrigée d'une estimation de la perturbation du champ magnétique liée à l'environnement.

Le cap magnétique ζ _ψ issu de la mesure par les magnétomètres peut en effet être considéré comme se décomposant comme suit :

où: - ^■ φ correspond au cap réel que l'on cherche à déterminer,

- ν _Ζψ correspond à une erreur gaussienne de mesure et

- i / ^d ) (« d » pour « disturbance » en anglais) correspond à une perturbation de cap magnétique lié à l'environnement (typiquement, perturbations liées aux infrastructures métalliques et aux câbles électriques dans des environnements urbains ou dans des bâtiments).

La perturbation de cap magnétique liée à l'environnement est fortement corrélée spatialement. Le champ magnétique lié aux perturbations de l'environnement est en effet un champ de vecteur continu et les champs magnétiques en deux points A et B donnés sont d'autant plus proches que ces deux points A et B sont voisins dans l'espace.

Dans un mode de mise en œuvre, la perturbation de cap i ^d) lié à l'environnement est estimée les moyens de calcul au moyen d'une formulation prenant en compte les corrélations d'évolution que l'on peut attendre pour les perturbations de champ magnétique entre deux instants d'échantillonnage successifs (corrélation temporelle, spatiale ou plus complexe).

Cette estimation est construite pour permettre un modèle markovien (qui peut être utilisé dans un filtre récursif) pour l'évolution de i _d et

• permet de prendre en compte un modèle de l'évolution de la perturbation de cap magnétique (corrélation temporelle, spatiale ou plus complexe)

• permet de construire un modèle de filtrage pour lequel le cap est observable (sinon, on perd tout espoir de construire un estimateur de cap)

Dans l'estimation proposée, l'amplitude du recalage est estimée en fonction d'un modèle d'évolution des perturbations magnétiques entre deux instants d'échantillonnage et d'une estimation a priori de l'amplitude des perturbations.

Les inventeurs ont trouvé (et vérifié mathématiquement) que dans le cas d'une corrélation spatiale (cas de perturbations en milieu urbain ou « indoor »), une estimation adaptée de l'évolution de la perturbation i ^d) entre deux instants d'échantillonnage séparés par un pas de temps avantageusement comme suit : pW [k + 1] = a[k]WW [k] + û[fc]) + (1 - a[k\) ^ + v _≠d) [k] et est une variable aléatoire gaussienne de variance a[k] ² (l - a[k] ² )

- a[k] étant un paramètre qui représente l'amplitude a priori de la perturbation magnétique,

- û et a _u étant l'espérance et la variance d'une variable aléatoire qui est un modèle (sous la forme d'une variable aléatoire gaussienne) de la variation de la perturbation de cap magnétique entre 2 instants d'échantillonnage, est une estimation prenant en compte le bruit des magnétomètres.

Cette estimation est retranchée de _ψ pour le calcul d'erreur, celle-ci pouvant être directement calculée entre i _{k+ 1} et (ζ _ψ - [k + 1]), ou confiée à un filtre de type Kalman qui a à la fois i ^d) et ψ dans son état.

Détermination du paramètre a\k]

Le paramètre a[k] représente l'amplitude a priori de la perturbation du cap magnétique. Il caractérise le cap et est par exemple calculé comme une fonction linéaire d'une norme du gradient du champ magnétique, ce qui est un exemple de fonction monotone.

Par exemple,

a[k] = ₀ + a _t N[k]

avec N[k] = \\VB[k] \\, c'est-à-dire la norme L2. On pourra toutefois utiliser d'autres normes comme la norme L1 , la norme de Frobenius ou toute autre norme.

0 et pétant deux paramètres préalablement fixés avant mise en œuvre du traitement de filtrage, B[k] tant le champ magnétique à l'instant k. La fonction a[k] est croissante de la norme dès lors que a est positif.

On pourra toutefois alternativement utiliser d'autres fonctions monotones, par exemple une fonction quadratique de paramètres adéquatement choisis parmi les composantes du gradient.

De cette façon, comme indiqué plus haut, le terme de recalage K _k . Err(ip _k+1 , z^) est une fonction monotone du gain K _k , lui-même fonction monotone de la norme du gradient du champ magnétique mesuré par les magnétomètres 20, ce qui permet une correction efficace.

D'autres méthodes sont possibles pour déterminer le paramètre a[k] .

Notamment, a[k] peut également être déterminé par comparaison avec un modèle du champ magnétique terrestre, par exemple en mettant en œuvre les techniques telles que proposées dans la publication :

"Assessment of Indoor Magnetic Field Anomalies using Multiple

Magnetometers Assessment of Indoor" - M. H. Afzal, V. Renaudin, G. Lachapelle - Proceedings of the 23rd International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2010)

September 21 - 24, 2010.

Les solutions dans lesquelles le paramètre a[k] est fonction du gradient du champ magnétique permettent toutefois de meilleures corrections, et ne nécessitent pas de modèles du champ magnétique terrestre.

Détermination du paramètre û

Le terme peut être considéré en première approximation comme négligeable et être considéré comme nul dans le calcul.

Le paramètre û[k] représente la valeur la plus probable pour l'évolution de la perturbation.

Ce paramètre est par exemple calculé en utilisant les gyromètres qu'on suppose bons à court terme. L'évolution la plus probable de la perturbation est alors donnée par la différence entre l'évolution de la mesure de cap magnétique et de l'évolution du cap gyrométrique :

= E ifj ^w [k + l] + ifj[k + l] - (ψ^Μ + ψΜ) - (ifjjk + 1] - ifjjk])

.cap magnétique mesurés lnnstantfc + 1 cap magnétique mesuré à lnnstantfc évolution de cap

= z^ [k + 1] — z^ [k] — ) [k]dt où : E[.] est l'espérance mathématique, ω[Α:] est la vitesse de rotation gyrométrique et dt est le pas d'échantillonnage.

Ainsi, le paramètre û[k] est calculé par les moyens de calcul comme la différence entre les caps magnétiques déterminés directement à partir des sorties magnétomètres pour les instants k+1 et k, à laquelle est soustraite la rotation prédite 6û[/c]dt. Détermination du paramètre σ„

Le paramètre o _u représente l'image de la corrélation entre la perturbation au pas k et celle au pas k+1.

On peut choisir avantageusement de l'indexer sur la vitesse de déplacement (ou sur le déplacement entre deux instants d'échantillonnage successifs, ce qui est similaire) de manière à rendre compte de la corrélation spatiale des perturbations magnétiques.

On pourra par exemple prendre

o _u = c. \\v\\ où c est un coefficient de réglage.

Autre mode de mise en œuyre

Dans un autre mode de mise en œuvre, on combine différentes valeurs de cap magnétique, afin d'obtenir une valeur de variable dépendant du cap la moins possible entachée d'erreur liées aux perturbations magnétiques.

La variable que l'on cherche à déterminer est par exemple le cap moyen d'un morceau de trajectoire, d'autres variables dépendant du cap pouvant bien entendu être envisagées.

Pour cela, les moyens de calcul enregistrent, pour chaque pas d'échantillonnage k, la valeur du cap magnétique mesuré z^ [k] et la valeur de la caractérisation du cap magnétique appelée a[k], calculée comme une fonction monotone d'une norme du gradient.

Par exemple, a[k] = a ₀ + a^VBW

Le cap le plus probable pour le morceau de trajectoire défini entre deux instants d'échantillonnage k = k ₀ et k = k peut ainsi être posé sous la forme d'une optimisation

où ||. Il est une norme (L1 , L2 ou autre).

L'algorithme d'optimisation mis en œuvre par les moyens de calcul peut être de tout type adapté : descente de gradient, algorithme de Levenberg-Marquardt, ou algorithme de Metropolis-Hastings.

Par ailleurs, dans le cas de la norme L2, le problème est alors posé sous la forme d'un moindre carré et les moyens de calcul déterminent directement

On comprendra bien que cette valeur est beaucoup plus avantageuse que la valeur moyenne non pondérée par la valeur de caractérisation puisque les instants k où la perturbation magnétique est la plus forte ont beaucoup moins d'impact dans la moyenne pondérée que dans la moyenne non pondérée.