Elle s'applique au domaine technique de la détection de mouvements et notamment à la localisation et au suivi « indoor » d'un système physique en mouvement et porteur d'un capteur de mouvements, par exemple la localisation à l'intérieur d'un bâtiment d'une personne portant un dispositif dans lequel est intégré ce capteur de mouvements. Parmi les technologies prometteuses, l'approche par mesure inertielle à l'aide d'un capteur de mouvements semble être la plus appropriée pour les applications grand public parce qu'elle est d'ores et déjà disponible auprès des utilisateurs potentiels dans certains téléphones mobiles et tablettes numériques.

L'invention s'applique donc plus particulièrement à un procédé d'estimation d'une orientation de trajectoire suivie par un porteur d'un capteur de mouvements comportant les étapes suivantes :

- détermination d'une orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire suivie par le porteur,

- estimation d'une orientation du capteur de mouvements par rapport à un repère fixe lié au référentiel terrestre à l'aide de mesures fournies par le capteur, et

- estimation d'une orientation de la trajectoire suivie par le porteur par rapport au repère fixe à l'aide de l'orientation déterminée du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire et de l'orientation estimée du capteur de mouvements par rapport au repère fixe.

Bien que perfectibles, tous les moyens nécessaires à la mise en œuvre des étapes précitées, voire même au suivi complet d'une trajectoire à partir de la détermination de son orientation, sont bien connus et maîtrisés techniquement (mesure de cap, comptage de pas, etc.) à l'exception d'un seul : celui permettant de connaître de façon fiable l'orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire suivie par le système physique observé, c'est-à-dire le porteur du capteur. Ce problème de détermination de l'orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire est difficile à résoudre, les solutions étant rares et peu satisfaisantes. Généralement, le capteur est alors attaché au porteur d'une façon telle que des hypothèses contraignantes peuvent être faites sur son orientation relative par rapport au porteur et donc par rapport à la trajectoire suivie par le porteur. Mais cette solution n'est pas satisfaisante pour des applications dans lesquelles le capteur est intégré dans un dispositif portable, téléphone mobile ou tablette numérique, destiné à être simplement porté sans attache particulière.

Dans le but de se libérer de ces hypothèses et contraintes, la demande de brevet publiée sous le numéro US 2012/0072166 A1 divulgue un procédé permettant d'estimer à chaque instant l'orientation relative du capteur par rapport à la trajectoire. Mais ce procédé impose d'autres hypothèses non moins contraignantes. En particulier, le procédé divulgué dans ce document consiste à projeter verticalement un repère lié au capteur de mouvements sur le repère fixe lié au référentiel terrestre. Comme détaillé en pages 2 et 3 de ce document, l'angle horizontal entre ce repère projeté et celui lié à la trajectoire est estimé par optimisation angulaire d'une accélération horizontale mesurée par le capteur.

L'hypothèse imposée par ce document est donc que l'accélération horizontale mesurée par le capteur de mouvements est maximale dans la direction horizontale de la trajectoire suivie par le système physique observé. Outre que cette hypothèse est elle-même contraignante, elle rend le procédé enseigné peu robuste car elle n'est pas réellement toujours vérifiée. En effet, dans le cas d'une application de suivi d'une personne qui se déplace en marchant, s'il est vrai que ses pieds suivent une accélération généralement orientée dans le sens de la trajectoire, il n'en est pas nécessairement de même des autres parties du corps de la personne observée. Notamment, le déplacement général de la personne, et donc d'une bonne partie de son corps, peut se faire à vitesse constante, c'est-à-dire à accélération nulle, de sorte que l'accélération horizontale mesurée par le capteur ne soit pas révélatrice du déplacement principal. En outre, à l'exception des pieds, les autres parties du corps de la personne peuvent être affectées par des mouvements parasites non liés à l'orientation de la trajectoire et peuvent engendrer des accélérations relativement importantes : c'est par exemple le cas des mouvements de balancier des bras.

De plus, toujours dans le cas d'une application de suivi d'une personne qui se déplace en marchant, le procédé mis en œuvre dans le document US 2012/0072166 A1 ne permet pas d'estimer le sens de déplacement de la personne. Pour ce faire, d'autres traitements des signaux mesurés sont mis en œuvre. Enfin, un autre inconvénient lié est la nécessité d'enregistrer un grand nombre de mesures préalablement au calcul, une estimation correcte de la trajectoire suivie par la personne n'étant obtenue qu'à partir d'une dizaine de pas. Cette estimation n'est donc pas réalisée en temps réel.

Il peut ainsi être souhaité de prévoir un procédé d'estimation d'une orientation de trajectoire qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes précités.

Il est donc proposé un procédé d'estimation d'une orientation de trajectoire suivie par un porteur d'un capteur de mouvements, comportant les étapes suivantes :

- détermination d'une orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire suivie par le porteur,

- estimation d'une orientation du capteur de mouvements par rapport à un repère fixe lié au référentiel terrestre à l'aide de mesures fournies par le capteur,

- estimation d'une orientation de la trajectoire suivie par le porteur par rapport au repère fixe à l'aide de l'orientation déterminée du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire et de l'orientation estimée du capteur de mouvements par rapport au repère fixe,

comportant en outre les étapes suivantes :

- détection d'un début et d'une fin d'une phase de désorientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire, et

- mise à jour, après la fin détectée de la phase de désorientation, de l'orientation déterminée du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire à l'aide de l'orientation de la trajectoire par rapport au repère fixe telle qu'estimée au début détecté de la phase de désorientation et de l'orientation du capteur de mouvements par rapport au repère fixe telle qu'estimée après la fin détectée de la phase de désorientation.

Ainsi, à partir du moment où l'on dispose d'une valeur initiale d'orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire, sachant qu'il est techniquement simple de détecter des phases de désorientation du capteur de mouvements, il est avantageux de mettre simplement à jour l'orientation du capteur par rapport à la trajectoire de façon relative en fonction de sa dernière valeur connue, plutôt que de procéder à une estimation absolue complexe et hasardeuse, chaque fois qu'une désorientation est détectée. En effet, le principe de mise à jour proposé par l'invention, suppose simplement que la trajectoire suivie par le système physique observé porteur du capteur de mouvements est à orientation constante pendant la phase de désorientation du capteur, ce qui constitue une hypothèse astucieuse, réaliste et peu contraignante.

De façon optionnelle, une valeur préalable de l'orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire est prédéterminée par enregistrement d'une valeur saisie par un utilisateur ou connue par défaut.

De façon optionnelle également :

- plusieurs valeurs préalables de l'orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire sont prédéterminées par enregistrement de valeurs saisies par un utilisateur ou connues par défaut, chaque valeur préalable étant associée à une disposition prédéterminée possible du capteur, et

- l'une de ces valeurs préalables est sélectionnée à l'aide de mesures fournies par le capteur et caractéristiques des différentes dispositions prédéterminées possibles du capteur.

De façon optionnelle également, une valeur préalable de l'orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire est déterminée par estimation à l'aide d'une valeur préalable connue de l'orientation de la trajectoire par rapport au repère fixe et de l'orientation du capteur de mouvements par rapport au repère fixe telle qu'estimée à un instant initial.

De façon optionnelle également, un procédé d'estimation d'une orientation de trajectoire selon l'invention peut en outre comporter les étapes suivantes :

- estimation d'une vitesse du porteur à l'aide de mesures fournies par le capteur, et

- reconstruction de la trajectoire suivie par le porteur à l'aide de la vitesse estimée du porteur et de l'orientation estimée de la trajectoire suivie par le porteur par rapport au repère fixe.

De façon optionnelle également, le capteur de mouvements comportant un accéléromètre à trois axes de mesures, un magnétomètre à trois axes de mesures et un gyromètre à trois axes de mesures :

- l'estimation de l'orientation du capteur de mouvements par rapport au repère fixe est réalisée à l'aide des mesures fournies par l'accéléromètre, le magnétomètre et le gyromètre, et

- l'estimation de la vitesse du porteur est réalisée à l'aide des mesures fournies par l'accéléromètre.

De façon optionnelle également, l'orientation du capteur de mouvements par rapport au repère fixe telle qu'estimée après la fin détectée de la phase de désorientation est une valeur moyennée ou filtrée de manière à réduire un effet de fluctuations parasites du déplacement du porteur.

Il est également proposé un programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, comprenant des instructions pour l'exécution des étapes d'un procédé d'estimation d'orientation selon l'invention, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.

Il est également proposé un dispositif d'estimation d'une orientation de trajectoire suivie par un porteur, comportant :

- un capteur de mouvements destiné à être porté par le porteur,

- des moyens de stockage d'une valeur d'orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire suivie par le porteur, et

- un calculateur, relié au capteur de mouvements et aux moyens de stockage, programmé pour :

· estimer une orientation du capteur de mouvements par rapport à un repère fixe lié au référentiel terrestre à l'aide de mesures fournies par le capteur, et

• estimer une orientation de la trajectoire suivie par le porteur par rapport au repère fixe à l'aide de la valeur stockée d'orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire et de l'orientation estimée du capteur de mouvements par rapport au repère fixe,

ce dispositif comportant en outre un détecteur d'un début et d'une fin d'une phase de désorientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire, et le calculateur étant en outre programmé pour mettre à jour, après la fin détectée de la phase de désorientation, la valeur stockée d'orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire à l'aide de l'orientation de la trajectoire par rapport au repère fixe telle qu'estimée au début détecté de la phase de désorientation et de l'orientation du capteur de mouvements par rapport au repère fixe telle qu'estimée après la fin détectée de la phase de désorientation.

De façon optionnelle, un dispositif d'estimation d'une orientation de trajectoire selon l'invention peut comporter une tablette numérique ou un téléphone mobile, le capteur de mouvements, les moyens de stockage et le calculateur étant intégrés dans cette tablette numérique ou ce téléphone mobile. 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 dans lesquels :

- la figure 1 illustre une scène d'utilisation d'un dispositif d'estimation d'une orientation de trajectoire suivie par un système physique porteur d'un capteur de mouvements, en l'occurrence une personne,

- la figure 2 illustre un exemple de séquence de déplacement de la personne de la figure 1 , présentant une phase de désorientation du dispositif qu'elle utilise pour estimer l'orientation de sa trajectoire,

- la figure 3 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif d'estimation d'une orientation de trajectoire, par exemple celui de la figure 1 , selon un mode de réalisation de l'invention, et

- la figure 4 illustre les étapes successives d'un procédé d'estimation d'une orientation de trajectoire suivie par un porteur de capteur de mouvements, selon un mode de réalisation de l'invention.

La scène illustrée sur la figure 1 représente un système physique 10, par exemple une personne, se déplaçant selon une trajectoire T et portant un dispositif 12 tel qu'une tablette numérique. La tablette numérique 12 est dotée d'un dispositif d'estimation d'une orientation de la trajectoire T suivie par la personne 10, plus précisément même d'un dispositif de détection et suivi de cette trajectoire T. Ce dispositif, muni d'un capteur de mouvements, sera détaillé en référence à la figure 3.

Dans cette scène, certains repères sont importants à identifier. Tout d'abord, un premier repère fixe 14R, lié au référentiel terrestre, présente trois axes orthogonaux x _R , y _R et z _R . L'axe z _R est vertical et dirigé vers le haut, c'est-à-dire dans le sens opposé du vecteur g représentant l'accélération gravitationnelle. Les deux autres axes horizontaux x _R et y _R sont par exemple orientés respectivement dans les directions Est et Nord. D'une façon générale, ce repère fixe 14R est lié aux grandeurs géophysiques aptes à être mesurées par le capteur de mouvements (accélération gravitationnelle et nord magnétique par exemple). Les coordonnées du vecteur g s'expriment ainsi sous la forme (0 ; 0 ; -9,81 m. s ^"2 ) dans le repère fixe 14R. Un deuxième repère mobile 14S, lié à la tablette numérique 12, présente trois axes orthogonaux x _s , ys et z _s définis par rapport à l'orientation du capteur de mouvements dans la tablette. Enfin, un troisième repère mobile 14T, lié à la trajectoire, présente trois axes orthogonaux x _T , yT et z _T définis de la manière suivante : l'axe x _T est tangent à la direction courante de la trajectoire T suivie par la personne 10 et est dans le plan horizontal (x _R ; y _R ) ; l'axe y _T est orthogonal à l'axe x _T dans le plan horizontal (x _R ; y _R ) et dirigé vers la gauche lorsque l'on regarde dans le sens du déplacement ; l'axe z _T est, comme l'axe z _R , vertical et dirigé vers le haut.

L'objectif principal d'un procédé selon l'invention étant d'estimer à chaque instant l'orientation de la trajectoire T suivie par la personne 1 0 porteuse de la tablette numérique 1 2, en exprimant cette orientation dans le repère fixe 1 4R, cela revient à déterminer la matrice de changement de repère R _RT permettant de passer de coordonnées exprimées dans le repère mobile 14T en coordonnées exprimées dans le repère fixe 14R. Cette matrice R _RT peut aisément être déduite de deux autres matrices de changements de repères : la matrice de changement de repère R _RS permettant de passer de coordonnées exprimées dans le repère mobile 1 4S en coordonnées exprimées dans le repère fixe 1 4R et la matrice de changement de repère R _S T permettant de passer de coordonnées exprimées dans le repère mobile 14T en coordonnées exprimées dans le repère mobile 1 4S.

Connaissant la matrice R _RT , on peut alors déterminer aisément le sens et la direction du déplacement de la personne 1 0, ceux-ci étant définis par l'orientation de la trajectoire T.

Plus précisément, la matrice R _RT peut être obtenue à l'aide du produit matriciel suivant :

RT — RRS

L'obtention de la matrice R _RS est simple et bien connue. Cela revient à estimer l'orientation de la tablette numérique 1 2 (c'est-à-dire l'orientation du repère mobile 14S liée à son capteur de mouvements) par rapport au repère fixe 14R. Cela se fait à l'aide de mesures fournies par le capteur de mouvements.

Par exemple, lorsque le capteur de mouvements comporte un magnétomètre à trois axes de mesures et un accéléromètre à trois axes de mesures, l'accéléromètre mesure, dans son système d'axes qui est celui du repère mobile 1 4S, l'accélération g dont les coordonnées (0 ; 0 ; -9,81 m. s ^"2 ) sont par ailleurs connues dans le repère fixe 14R. Le magnétomètre mesure, dans son système d'axes qui est également celui du repère mobile 14S, le champ magnétique terrestre dont les coordonnées (0 ; 20,767 μΤ ; -43, 1 98 μΤ) sont par ailleurs connues dans le repère fixe 14R. La matrice de changement de repère R _RS peut donc être estimée en appliquant les trois formules suivantes :

(%ACC ) ^X (%MAG ) (%ACC )

, R _RS : ,3)—— et R _RS (: ,2) = R _RS (: ,3) x R _RS (: ,l) .

\\ (Z _ACC ) X (Z _MAG ) \\ \\ {ZACC ) \ \ Dans ces formules, l'expression R _RS ( :,i) représente la i-ème colonne de la matrice R _RS , Z _A cc et Z _M AG sont des vecteurs colonnes représentant respectivement les mesures vectorielles de l'accéléromètre et du magnétomètre, l'opérateur ( ) symbolise le fait que ces mesures sont filtrées ou moyennées afin de réduire l'influence du bruit, l'opérateur || || symbolise la norme euclidienne et l'opérateur x symbolise le produit vectoriel. La première de ces formules exprime le fait que l'opposé de la mesure normée de l'accéléromètre est l'expression de z _R dans le repère mobile 14S. La deuxième de ces formules exprime le fait que y _R est par définition orthogonal à la pesanteur et au champ magnétique terrestre qui est horizontal, c'est-à-dire que y _R est le produit vectoriel normé de ces deux grandeurs. Enfin, la troisième de ces formules exprime le fait que x _R est par définition le produit vectoriel de y _R et z _R .

Cette configuration du capteur de mouvements, dans laquelle il comporte un magnétomètre et un accéléromètre, est la configuration minimale permettant de déterminer complètement la matrice R _RS dans l'exemple considéré, mais elle présente l'inconvénient d'être bruitée parce que les mesures qu'elle exploite sont généralement perturbées. Notamment l'accéléromètre est perturbé par des accélérations propres et le magnétomètre est bruité par les perturbations du champ magnétique terrestre.

D'autres configurations, par exemple dans lesquelles le capteur de mouvements comporte un gyromètre en plus du magnétomètre et de l'accéléromètre, permettent d'améliorer les performances de l'estimation de la matrice R _RS en fusionnant les mesures à l'aide d'algorithmes dérivés du filtre de Kalman.

Plus généralement et sans ajouter d'enseignement particulier pour une mise en œuvre de l'invention, d'autres configurations bien connues, n'incluant pas nécessairement un magnétomètre et un accéléromètre, peuvent être envisagées par l'homme du métier pour le calcul tout à fait classique de la matrice R _RS .

L'obtention de la matrice R _S T est complexe et reste un problème mal résolu dans l'état de la technique, comme cela a été rappelé précédemment. Cela consiste, dans l'exemple illustré par la figure 1 , à estimer une orientation du capteur de mouvements intégré dans la tablette numérique 12 par rapport à la trajectoire T suivie par la personne 10.

Plutôt que d'établir des hypothèses lourdes de conséquences et peu robustes comme dans le document US 2012/0072166 A1 , il est simplement considéré dans la présente invention et comme illustré par la figure 2 que : - une séquence de marche de la personne 10 de la figure 1 , ou plus généralement une séquence de déplacement d'un système physique observable porteur d'un capteur de mouvements, peut être subdivisée en une succession de phases où l'orientation du capteur de mouvements est constante par rapport à la personne 10, donc par rapport à la trajectoire T puisqu'il peut être raisonnablement considéré que l'orientation de la personne 10 est très fortement corrélée à sa trajectoire T, et de phases où l'orientation du capteur de mouvements par rapport à la trajectoire T est variable,

- les phases au cours desquelles l'orientation du capteur de mouvement par rapport à la trajectoire T est variable sont limitées dans le temps et correspondent à des moments où la trajectoire T conserve une même orientation (i.e. pas de changement de cap pendant que la personne 10 modifie sa façon de porter la tablette numérique 12).

En outre, il peut être considéré qu'une orientation initiale du capteur de mouvements par rapport à la personne 10 est soit connue a priori, soit déterminable : il s'agit seulement d'un problème d'initialisation.

En conséquence, et dans l'exemple illustré sur la figure 2, au cours d'une phase PC _n d'orientation constante de la tablette 12 et de son capteur de mouvements par rapport à la personne 10, il peut être considéré que le repère mobile 14S reste d'orientation constante par rapport au repère mobile 14T jusqu'à un instant ti , cette orientation constante notée R _s -r(n) se traduisant par la relation :

V t < ti , R _ST (t) = R _ST (n) .

Au cours d'une phase suivante PV _n de désorientation de la tablette 12 et de son capteur de mouvements par rapport à la personne 10, donc par rapport à sa trajectoire T, entre l'instant ti et un instant t ₂ , Rs-r(t) est variable donc a priori inconnue, mais le cap de la trajectoire T reste constant. Ceci se traduit par la relation :

V t , t ₁ ≤t≤t ₂ => R _RT (t) = ff _RT (£i) = «Kr fe)■ Enfin, au cours d'une phase suivante PC _n+ i d'orientation de nouveau constante de la tablette 12 et de son capteur de mouvements par rapport à la personne 10, il peut être considéré que le repère mobile 14S reste de nouveau d'orientation constante par rapport au repère mobile 14T depuis l'instant t ₂ jusqu'à une nouvelle désorientation de la tablette 12 (non illustrée), cette orientation constante notée R _s -r(n+1 ) se traduisant par la relation : V t≥t _{2 >} R _S TÎt) = R _ST (t ₂ ) = R _ST (n + l) .

Un signal de consigne SC peut accompagner la succession de phases d'orientation constante et de phases de désorientation, en prenant par exemple une valeur basse (par exemple « 0 ») en phase d'orientation constante et une valeur haute (par exemple « 1 ») en phase de désorientation.

Les passages de la valeur basse à la valeur haute et réciproquement du signal de consigne SC peuvent, dans un mode de réalisation particulièrement simple de l'invention, être commandés manuellement par le porteur 1 0 lui-même de la tablette numérique 1 2 lorsqu'il change celle-ci de position. En variante, ces instants ti et t ₂ de transitions peuvent être détectés automatiquement, par exemple en détectant une variation, supérieure à un certain seuil, de la norme des mesures fournies par l'accéléromètre du capteur de mouvements ou de l'orientation du capteur de mouvements par rapport au repère fixe 1 4R.

Comme illustré schématiquement sur la figure 3, la tablette numérique 1 2 est dotée d'un dispositif 20 de détection et suivi de la trajectoire T suivie par la personne 1 0.

Ce dispositif de détection et suivi 20 comporte un capteur de mouvements 22. Avantageusement, le capteur de mouvements 22 comporte un accéléromètre 24 à trois axes de mesures, un magnétomètre 26 à trois axes de mesures et un gyromètre 28 à trois axes de mesures.

Le dispositif de détection et suivi 20 comporte en outre un détecteur 30 de débuts et de fins de phases de désorientation de la tablette numérique 1 2, et donc du capteur de mouvements 22, par rapport à la trajectoire T. Ce détecteur 30 est conçu pour fournir, comme indiqué précédemment, le signal de consigne SC. Il peut donc être, de façon optionnelle, relié au capteur de mouvements 22 pour l'analyse d'au moins une partie de ses mesures de manière à fournir automatiquement le signal de consigne SC.

Le dispositif de détection et suivi 20 comporte en outre des moyens 32 de stockage :

- d'une valeur d'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T, cette valeur étant par exemple stockée dans une zone de mémoire 34 des moyens 32 sous la forme de la matrice de changement de repère R _S T précédemment citée, et - de coordonnées (x, y) de la trajectoire T exprimées dans le repère fixe 14R, ces coordonnées étant par exemple stockée dans une zone de mémoire 36 des moyens 32.

Le dispositif de détection et suivi 20 comporte en outre un calculateur 38, relié au capteur de mouvements 22 et aux moyens de stockage 32. Ce calculateur 38 peut par exemple être mis en œuvre dans un module informatique comportant un processeur associé à une ou plusieurs mémoires pour le stockage de fichiers de données et de programmes d'ordinateurs. Il peut alors lui-même être considéré comme formée d'un processeur associé à une mémoire de stockage des instructions qu'il exécute sous forme de programmes d'ordinateurs.

Le calculateur 38 tel qu'illustré sur la figure 4 comporte ainsi fonctionnellement cinq programmes d'ordinateurs, ou cinq fonctions d'un même programme d'ordinateur, portant les références 40, 42, 44, 46 et 48. On notera en effet que les programmes d'ordinateurs 40, 42, 44, 46 et 48 sont présentés comme distincts, mais cette distinction est purement fonctionnelle. Ils pourraient tout aussi bien être regroupés selon toutes les combinaisons possibles en un ou plusieurs logiciels. Leurs fonctions pourraient aussi être au moins en partie micro programmées ou micro câblées dans des circuits intégrés dédiés. Ainsi, en variante, le module informatique mettant en œuvre le calculateur 38 pourrait être remplacé par un dispositif électronique composé uniquement de circuits numériques (sans programme d'ordinateur) pour la réalisation des mêmes actions.

Un premier programme d'ordinateur 40 du calculateur 38 comporte des instructions de programme pour l'exécution d'une estimation, à chaque instant, d'une orientation de la tablette numérique 12 par rapport au repère fixe 14R à l'aide des mesures fournies par le capteur de mouvements 22. Il permet, selon le principe détaillé précédemment utilisant un filtre de Kalman étendu, de fournir une valeur R _RS (t) à chaque instant t de la matrice de changement de repère R _RS .

Un deuxième programme d'ordinateur 42 du calculateur 38 comporte des instructions de programme pour l'exécution d'une estimation, à chaque instant, d'une orientation de la trajectoire T par rapport au repère fixe 14R à l'aide, d'une part, de la valeur R _ST , stockée en mémoire 34, d'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T et, d'autre part, de l'orientation, estimée par le premier programme d'ordinateur 40, de la tablette numérique 12 (i.e. du capteur de mouvements 22) par rapport au repère fixe 14R. Il permet concrètement, selon la relation R _RT = R _RS ^■ R _ST , de fournir une valeur R _RT (t) à chaque instant t de la matrice de changement de repère R _RT en calculant le produit de la valeur R _RS (t) fournie à l'instant t par l'exécution du premier programme 40 et d'une valeur R _s -r(t) extraite au même instant t de la matrice de changement de repère R _S T- La valeur R _s -r(t) est tout simplement la valeur courante de la matrice R _S T stockée en mémoire 34.

Le problème d'initialisation consistant à déterminer préalablement une valeur de l'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T et à enregistrer cette valeur sous la forme matricielle R _S T en mémoire 34 peut être résolu de différentes façons.

Selon un premier mode de réalisation, une valeur préalable de l'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T est considérée comme connue et directement enregistrée, sous la forme matricielle R _S T, en mémoire 34. Cet enregistrement peut être réalisé par défaut ou se faire par une saisie de la personne 10 sur une interface tactile de la tablette numérique 12. Ce premier mode de réalisation particulièrement simple est tout à fait réaliste. En effet, l'utilisation d'une application de navigation sur un téléphone mobile ou une tablette numérique telle que la tablette 12, application visée dans le cadre de l'invention, implique que la personne 10 effectue des actions avec le dispositif tenu à la main, l'écran face à elle. Par exemple, la personne 10 renseigne sa destination dans le cas d'une aide à la navigation, ou lance tout simplement son application. A cet instant, l'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la personne 10 et donc à la trajectoire T envisagée est connue puisque le capteur de mouvements est tenu à la main, l'écran du dispositif faisant face à la personne 10. En particulier, les repères 14S et 14T peuvent être considérés comme alignés de sorte que la matrice R _S T peut être initialisée à la matrice identité.

Selon un deuxième mode de réalisation, plusieurs valeurs préalables de l'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T sont considérées comme possibles et directement enregistrées, sous la forme matricielle précitée, en mémoire 34. Ces enregistrements peuvent être réalisés par défaut ou se faire par des saisies de la personne 10 sur l'interface tactile de la tablette numérique 12. Dans ce cas, chaque valeur préalable est associée à une disposition prédéterminée possible du capteur de mouvements 22, et donc de la tablette numérique 12, par rapport à la trajectoire T. Dans une phase d'initialisation du dispositif de détection et suivi 20 de la tablette numérique 12, l'une de ces valeurs préalables, enregistrée sous la forme matricielle R _S T, peut être sélectionnée à l'aide d'au moins une partie des mesures fournies par le capteur de mouvements 22, notamment celles qui sont caractéristiques des différentes dispositions prédéterminées possibles de la tablette numérique 1 2 par rapport à la trajectoire T. Il peut être prévu d'identifier la phase d'initialisation par une valeur spécifique (par exemple « 2 ») du signal de consigne SC fourni par le détecteur 30.

Selon un troisième mode de réalisation, aucune valeur préalable de l'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T n'est connue, mais une valeur préalable de l'orientation de la trajectoire T par rapport au repère fixe 1 4R est considérée comme connue. Ainsi, à un instant initial t ₀ d'une phase d'initialisation du dispositif de détection et suivi 20 de la tablette numérique 1 2, la valeur R _RS (t ₀ ) de la matrice R _RS fournie par le premier programme d'ordinateur 40 peut être exploitée en combinaison avec la valeur préalable R _RT (t ₀ ) de la matrice R _RT connue, pour fournir, conformément à la relation R _RT = R _RS ^■ R _ST , une valeur préalable R _S T de l'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T selon le calcul suivant :

R _ST = R _ST (t ₀ ) = [R _RS (t ₀ )] R _RT (t ₀ ) .

On notera que la matrice R _RS étant une matrice de changement de repère, c'est-à-dire une matrice de rotation, son inverse est également sa transposée, ce qui simplifie les calculs. On notera également que comme dans le deuxième mode de réalisation, il peut être prévu d'identifier la phase d'initialisation par une valeur spécifique du signal de consigne SC.

Dans le troisième mode de réalisation, l'initialisation peut aussi être réalisée avec un système de localisation de type GPS ou radio, à l'aide de deux positionnements successifs.

Enfin, il convient de noter que même si la matrice R _S T n'est pas connue du tout à l'initialisation, ou que le cap de la trajectoire par rapport au repère fixe n'est pas connu du tout à l'initialisation, il est possible d'en prendre une valeur arbitraire. Dans ce cas, l'invention présente quand même un intérêt, puisqu'elle fournit malgré tout une trajectoire cohérente, dans un repère de cap absolu inconnu. Cela représente déjà une information très intéressante, car l'inconnue sur le cap pourra être résolue en introduisant par exemple d'autres modalités de mesure de position absolue, même si ces dernières sont imprécises, comme des localisations GPS ou radio.

Un troisième programme d'ordinateur 44 du calculateur 38 comporte des instructions de programme pour l'exécution d'une mise à jour, après la fin détectée de chaque phase de désorientation PV _n , de la valeur stockée, sous la forme matricielle RST en mémoire 34, d'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T.

Ce troisième programme d'ordinateur 44 fonctionne de la façon suivante. A l'instant détecté ti de début de la phase de désorientation PV _n , identifié par le passage de « 0 » à « 1 » du signal de consigne SC, la valeur R _RT (ti) fournie par le deuxième programme d'ordinateur 42, caractéristique de l'orientation de la trajectoire T par rapport au repère fixe 1 4R à cet instant ti , est conservée en mémoire. A l'instant détecté t ₂ de fin de la phase de désorientation PV _n , identifié par le passage de « 1 » à « 0 » du signal de consigne SC, la valeur R _RS (t ₂ ) fournie par le premier programme d'ordinateur 40, caractéristique de l'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport au repère fixe 1 4R à cet instant t ₂ , est utilisée en combinaison avec la valeur R _RT (ti) conservée en mémoire pour fournir une mise à jour de R _S T selon le calcul suivant :

R _ST = Rsr(.t ₂ ) = [Kfisfe)] ^{1 "} fifl-rfe) ⁼ [^Rs fe)] ^{1 '} RRriti)- Il ressort clairement de l'équation précédente qu'il est supposé que la valeur de R _RT est constante entre les instants ti et t ₂ puisque la valeur R _RT (t ₂ ), inconnue, est remplacée par R _RT (ti). On remarque par ailleurs, que ce calcul est très proche de celui effectué dans le troisième mode de réalisation de la phase d'initialisation, de sorte qu'il est très simple d'adapter le troisième programme d'ordinateur 44 pour qu'il procède au calcul du troisième mode de réalisation de la phase d'initialisation lorsque le signal de consigne SC prend sa valeur spécifique « 2 » .

Un quatrième programme d'ordinateur 46 du calculateur 38 comporte des instructions de programme pour l'exécution d'une estimation de la vitesse de déplacement de la personne 1 0 le long de sa trajectoire T à l'aide d'au moins une partie des mesures fournies par le capteur de mouvements 22. Plus précisément, ce sont les mesures fournies par l'accéléromètre 24 qui sont exploitées par ce quatrième programme d'ordinateur 46 d'une façon connue en soi. Concrètement, à partir des mesures de l'accéléromètre 24, il est possible et connu de compter les pas de la personne 1 0 et d'estimer leur longueur afin d'en déduire une valeur V(t) de la vitesse de déplacement à chaque instant.

Un cinquième programme d'ordinateur 48 du calculateur 38 comporte des instructions de programme pour l'exécution d'une reconstruction complète de la trajectoire T suivie par la personne 1 0 à l'aide de la vitesse V(t), estimée à chaque instant t par le quatrième programme d'ordinateur 46, et à partir de l'orientation R _RT (t) de la trajectoire T par rapport au repère fixe 1 4R, estimée à chaque instant t par le deuxième programme d'ordinateur 42. Cette reconstruction peut aussi exploiter des moyens annexes d'évaluation de la distance parcourue par la personne 10 en fonction du temps, tels que par exemple un podomètre. La reconstruction est géométrique et connue en soi. Elle permet de fournir à chaque instant t les coordonnées x(t) et y(t) de la trajectoire T exprimées dans le repère fixe 14R, celles- ci pouvant ensuite être enregistrées en mémoire 36.

Le capteur de mouvements 22, le détecteur 30 de phases de désorientation, les programmes 40, 42, 44 du calculateur 38 et la zone de mémoire 34 forment à eux seuls un dispositif d'estimation d'une orientation de la trajectoire T. C'est complétés des programmes 46, 48 et de la zone de mémoire 36 qu'ils forment de façon plus précise le dispositif complet de détection et suivi 20.

Selon une première variante de réalisation de ce qui a été décrit précédemment, l'effet des fluctuations parasites du déplacement de la personne 10 peut être réduit par lissage en procédant à un calcul de moyenne ou à un filtrage des mesures fournies par le capteur de mouvements 22 de manière à utiliser une forme moyennée de la matrice de changement de repère R _RS plutôt que sa valeur instantanée, en particulier pour l'estimation de la valeur R _RS (t ₂ ) fournie par le premier programme d'ordinateur 40 à l'occasion de l'exécution du troisième programme d'ordinateur 44. Il convient de noter que le calcul d'une forme moyennée de la matrice R _RS n'est pas un problème simple puisque les techniques habituelles de calcul de moyennes ou de filtrage ne sont pas nécessairement valides pour ce qui concerne les matrices de rotations. Par exemple, une moyenne arithmétique de plusieurs matrices de rotation n'est pas une matrice de rotation.

Ainsi, selon un premier mode de réalisation possible de cette première variante, le lissage est réalisé préalablement au calcul, par le premier programme d'ordinateur 40 et à un instant t, de la valeur R _RS (t) de la matrice de changement de repère R _RS :

- en filtrant ou moyennant directement les signaux de mesures fournis par le capteur de mouvements 22 dans une fenêtre temporelle prédéterminée, par exemple une fenêtre glissante redéfinie à chaque instant t, et

- en ajustant les paramètres servant au calcul de la valeur R _RS (t) de la matrice de changement de repère R _RS , notamment les paramètres de covariances du filtre de Kalman utilisé.

Ce premier mode de réalisation permet bien d'éliminer les fluctuations parasites mais présente l'inconvénient de ne plus fournir de valeur instantanée de la matrice R _RS , celle-ci pouvant être pourtant utile pour d'autres fonctions du dispositif 20 ou plus généralement de la tablette numérique 12.

Selon un second mode de réalisation possible de la première variante, le lissage est réalisé postérieurement au calcul, par le premier programme d'ordinateur 40 et à un instant t, de la valeur R _RS (t) de la matrice de changement de repère R _RS .

Cela peut se faire en calculant une rotation moyenne exacte de plusieurs valeurs successives de R _RS (t) dans une fenêtre temporelle prédéterminée, selon des techniques connues de calculs de moyennes de matrices de rotation. Ces techniques connues sont malheureusement généralement complexes.

Cela peut aussi se faire plus simplement, en passant temporairement par un formalisme de quaternions, de la façon suivante :

- les valeurs successives de R _RS (t) à moyenner ou filtrer sont transformées en quaternions successifs selon une relation d'équivalence bien connue entre matrices et quaternions,

- une moyenne arithmétique ou un filtrage simple est réalisé sur les quaternions successifs, ce qui est une opération simple et bien connue compte tenu de l'écriture vectorielle des quaternions,

- une normalisation du quaternion moyenné ou filtré obtenu est exécutée (i.e. division de chaque coefficient du quaternion moyenné ou filtré par la norme euclidienne du quaternion par exemple), et

- le quaternion moyenné ou filtré et normalisé est transformé en matrice de rotation moyennée ou filtrée correspondante selon la relation d'équivalence précitée.

En effet, c'est la normalisation du quaternion moyenné ou filtré qui permet d'assurer que la matrice finalement obtenue par transformation inverse de ce quaternion est bien une matrice de rotation puisqu'il suffit de rendre le quaternion unitaire pour assurer qu'il corresponde bien à une rotation.

Selon une deuxième variante de réalisation de ce qui a été décrit précédemment, le deuxième programme d'ordinateur 42 est adapté pour imposer une contrainte au calcul de la valeur R _RT (t) à chaque instant t de la matrice de changement de repère R _RT . En effet, comme cela a été indiqué précédemment, si l'on considère que la trajectoire T est plane dans le repère fixe 14R, l'axe vertical z _T du repère mobile 14T lié à la trajectoire T doit être aligné sur celui, z _R , du repère fixe 14R et les axes x _T , yT doivent être dans le plan (x _R , y _R ). Or le simple produit des valeurs R _R s(t) et Rs-r(t) ne permet pas de l'assurer. Selon cette deuxième variante, on note R _RT = R _RS ^■ R _ST et R _STI la matrice de correction telle que R _RT = R _R ^* _T ^■ R _ST i- Cette matrice de correction doit être définie de telle sorte que la matrice R _RT prenne à chaque instant la forme suivante :

où l'angle Θ représente le cap de la trajectoire T à chaque instant tel qu'exprimé par rapport aux axes horizontaux x _R , y _R du repère fixe 14R. En effet, les trois colonnes de la matrice R _RT représentent respectivement les trois expressions des vecteurs unitaires des axes χ _τ , Υτ et z _T dans le repère fixe 14R.

Selon un mode de réalisation possible de la deuxième variante, la matrice de correction R _STI est définie comme le produit de deux matrices de rotation R _x et R _Y : ^R STI = ^R x ' ^R Y - En notant x ^* _T , y*T et z ^* _T les trois axes orthogonaux définis par les trois colonnes de la matrice R ^* _RT , la première de ces deux matrices R _x exerce une rotation d'angle a autour de l'axe x ^* _T ramenant l'axe y _T dans le plan (x _R , y _R ). Les trois axes orthogonaux x ^* _T , y*T et z ^* _T deviennent alors x ^* _T , y ^* et z ^* ' _T . La deuxième de ces deux matrices R _Y exerce une rotation d'angle β autour de l'axe y*' _T ramenant l'axe x _T dans le plan (x _R , y _R ). Les trois axes orthogonaux X*T _J y* T et z ^* j deviennent alors les axes x _T , yT et z _T de la matrice R _RT .

On montre aisément que l'expression de la matrice R _x est donnée par :

où = tan- ¹ ( ^R ^' ² ) , R ^* _RT (3,2) et R ^* _RT (3,3) étant les coefficients de 3 ^e ligne, 2 ^e et 3 ^e colonnes de la matrice R ^* _RT obtenue par le produit R _RT = R _RS ^■ R _ST .

On montre de même aisément que l'expression de la matrice R _Y est donnée par :

où = tan ^'1 f R*'RT

\¾R _RT (^3,¾3) , (3,1 ) et R ^* ' _RT (3,3) étant les coefficients de 3 ^e ligne, 1 ^e et 3 ^e colonnes de la matrice R*' _RT obtenue par le produit R _RT = R _RT ^■ R _x .

Conformément au mode de réalisation ci-dessus de la deuxième variante, le deuxième programme d'ordinateur 42 est donc adapté pour calculer à chaque instant t la valeur R _RT (t) de la matrice R _RT à l'aide des produits successifs suivants :

R _RT (t) = R _RS t) ^■ Rsrit) ^■ R _x (t) ^■ R _Y (t) . Le fonctionnement du dispositif de détection et suivi 20 va maintenant être détaillé en référence à la figure 4 qui illustre les étapes successives d'un procédé qu'il peut mettre en œuvre conformément à l'invention.

Au cours d'une première étape 1 00 d'initialisation identifiée par la valeur spécifique à « 2 » du signal de consigne SC, une valeur préalable R _S T de l'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T est déterminée conformément à l'un des trois modes de réalisation de la phase d'initialisation décrite précédemment. Dans les deuxième et troisième modes de réalisation, cette étape peut être réalisée par exécution du troisième programme d'ordinateur 44 à l'aide d'au moins une partie des mesures fournies par le capteur de mouvements 22.

Au cours d'une étape suivante 1 02 d'exécution du premier programme d'ordinateur 40, l'orientation à un instant t, notée R _RS (t), du capteur de mouvements 22 par rapport au repère fixe 14R est estimée à l'aide des mesures fournies par l'accéléromètre 24, le magnétomètre 26 et le gyromètre 28. Comme indiqué précédemment, cette estimation peut être moyennée ou filtrée.

Au cours d'une étape suivante 1 04 d'exécution du deuxième programme d'ordinateur 42, l'orientation à l'instant t, notée R _RT (t), de la trajectoire T par rapport au repère fixe 14R est estimée à l'aide de la valeur courante de R _S T enregistrée en mémoire 34 et de l'orientation R _RS (t) estimée à l'étape 1 02. Cela peut se faire par la relation R _RT (t) = R _RS (t) ^■ R _ST (t) ou par la relation R _RT (t) = R _RS (t) ^■ R _ST (t) ^■ R _x (t) ^■ R _Y (t).

Au cours d'une étape 1 06 d'exécution du quatrième programme d'ordinateur 46, la vitesse de déplacement à l'instant t, notée V(t), de la personne 1 0 est estimée à l'aide des mesures fournies par l'accéléromètre 24. On notera que cette étape s'exécute indépendamment des étapes 1 02 et 1 04, et parallèlement à ces étapes.

Enfin, au cours d'une étape 1 08 d'exécution du cinquième programme d'ordinateur 48, cette étape suivant nécessairement les étapes 1 04 et 1 06, les coordonnées à l'instant t de la trajectoire T exprimées dans le repère fixe 1 4R, notées x(t) et y(t), sont estimées à l'aide de l'orientation R _RT (t) estimée à l'étape 1 04 et de la vitesse V(t) estimée à l'étape 1 06. Ces coordonnées x(t) et y(t) sont enregistrées en mémoire 36 de manière à reconstruire la trajectoire T dans le repère 1 4R.

Parallèlement et indépendamment des étapes 1 02, 1 04, 1 06 et 1 08, une mise à jour de la valeur R _S T d'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T est automatiquement déclenchée sur détection, au cours d'une étape 1 1 0, du passage de « 0 » à « 1 » du signal de consigne SC fourni par le détecteur 30, ce passage de « 0 » à « 1 » indiquant le début d'une phase de désorientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T.

Au cours d'une étape suivante d'exécution du troisième programme d'ordinateur 44, la valeur R _S T d'orientation du capteur de mouvements 22 par rapport à la trajectoire T est mise à jour en fin de phase de désorientation, après détection du passage de « 1 » à « 0 » du signal de consigne SC, selon les calculs présentés précédemment.

Il apparaît clairement qu'un dispositif de détection et suivi de trajectoire tel que celui décrit précédemment permet un suivi simple et astucieux de l'orientation d'un capteur de mouvements porté par un système physique en déplacement par rapport à la trajectoire suivie par ce système physique, ce qui permet ensuite d'estimer aisément l'orientation de cette trajectoire par rapport à un repère fixe lié à des grandeurs mesurables par le capteur de mouvements.

On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment.

Ainsi en variante, la tablette numérique peut être remplacée par tout support, téléphone mobile ou autre, pouvant intégrer un dispositif de détection et suivi de trajectoire, ou plus généralement un dispositif d'estimation d'orientation de trajectoire, tel que celui décrit précédemment et pouvant être porté par le système physique dont le déplacement est observé.

En variante également, la représentation des différentes orientations définies précédemment s'est faite sous forme matricielle, à l'aide de matrices de changements de repères. Mais elle pourrait également faire appel à d'autres formalismes tels que les quaternions, les angles ou autres.

II apparaîtra plus généralement à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications au mode de réalisation exposé dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.