Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg Mémoire de soutenance d

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg Mémoire de soutenance de Diplôme d’Ingénieur INSA Spécialité TOPOGRAPHIE Évaluation d'une solution de référence autonome pour la navigation pédestre dans les bâtiments Présenté en Septembre 2014 par Camille MARCHAND Réalisé au sein du laboratoire : IFSTTAR - Lab. GEOLOC Route de Bouaye Bouguenais – 44340 Cedex Directeur de PFE : Correcteur : Mme RENAUDIN M FERHAT Chargée de recherche Maître de conférences IFSTTAR – Lab. GEOLOC INSA de Strasbourg Page 1 Camille MARCHAND - Sept. 2014 - INSA - PFE Page 2 Camille MARCHAND - Sept. 2014 - INSA - PFE Remerciements Avant toute chose, je tiens à remercier les personnes qui ont contribué de loin ou de près à la réussite de ce stage. Je remercie donc Valérie Renaudin pour le sujet de stage qui m'a permis de prendre du recul quant aux approches classiques de la topographie et de me confronter au monde de la recherche. Son dynamisme motivant et son ambition contagieuse en matière de recherche ont été des moteurs tout au long de ces six mois. De plus, j'ai eu la chance de participer à la rédaction d'un article. Je lui en suis, à ce titre, très reconnaissante. La solution implémentée au cours de ce stage n'aurait pas pu être aussi performante sans les conseils avisés de Christophe Combettes en matière de code sous Matlab. Son aide tout au long de mon stage m'a été très précieuse. Je tiens également à remercier les autres membres de GEOLOC, à savoir François Peyret, responsable du laboratoire, David Bétaille et Miguel Ortiz ainsi que toutes les personnes rencontrées à l'IFSTTAR. Mes remerciements s'adressent également à l'ensemble de mes professeurs pendant mes 5 ans de scolarité à l'INSA de Strasbourg. Ma famille, pendant mes cinq ans d'études, m'a toujours soutenue et je les en remercie. En particulier, mon petit frère, Germain, s'est attelé à la longue tâche de la relecture de ce rapport, je ne peux que lui dire merci. Ces remerciements ne s’arrêtent pas là car ce stage à l'IFSTTAR n'aurait pas été aussi plaisant sans les autres étudiants rencontrés sur Nantes. Grâce à eux, j'ai pu découvrir avec enthousiasme tous les recoins de Nantes et de sa région. Mes remerciements s'adressent donc aux autres stagiaires de l'IFSTTAR prenant la navette, en particulier Mathilde, Karim, Léo, Caroline, Malo et Eric, aux post-doc et thésards rencontrés, en particulier William et Yngjie, et à Florent stagiaire chez Bio-Littoral. Le projet de fin d'études est la conclusion de cinq années d'études passées à l'INSA, dans la ville de Strasbourg. Toutes les personnes rencontrées ont contribué, chacune à leur manière, à la réussite de ces années. Je tiens à les remercier pour leur amitié, leurs conseils, leur écoute, leur enthousiasme, les discussions plus ou moins philosophiques autour d'une bière et tous les autres nombreux bons moments passés ensemble. Je remercie donc chaleureusement mes camarades de promo en particulier Jacques, Lucie, Quentin, Christelle, Rémi et les « Stef’ » ainsi que tous mes autres camarades n'ayant, malheureusement, pas choisi la spécialité topographie à savoir Caroline, Nicolas, Sophie, Noémie, Alexandre, Sylvain et Juliette. Page 3 Camille MARCHAND - Sept. 2014 - INSA - PFE Table des matières Introduction ................................................................................................................................ 5 1. État de l'art et principes de base ......................................................................................... 7 1.1. Différents repères ....................................................................................................... 7 1.1.1. Repère « inertiel »............................................................................................... 7 1.1.2. Repère « navigation »......................................................................................... 7 1.1.3. Repère « body ».................................................................................................. 7 1.2. Système de référence.................................................................................................. 8 1.3. Navigation pédestre en intérieur................................................................................. 8 1.3.1. « Pedestrian Dead Reckoning System »............................................................. 8 1.3.2. Navigation à l’estime avec une centrale inertielle sur le pied............................ 9 1.3.3. Comment calculer le cap de marche plus précisément ?.................................. 10 1.4. Compensation avec un filtre de Kalman .................................................................. 10 1.4.1. Une étape de prédiction.................................................................................... 11 1.4.2. Une étape de mise à jour .................................................................................. 11 1.5. Étude de la variance d'Allan..................................................................................... 12 1.5.1. Théorie.............................................................................................................. 12 1.5.2. Comment obtient-on les valeurs des bruits ? ................................................... 13 1.6. Un changement de repère exprimé avec un quaternion............................................ 14 2. Mesures inertielles et observations GNSS exploitées...................................................... 17 2.1. Solution de référence : DGPS .................................................................................. 17 2.2. Caractéristiques de la centrale inertielle................................................................... 17 2.2.1. Données constructeurs...................................................................................... 17 2.2.2. Bilan des erreurs pour une centrale inertielle................................................... 17 2.3. Modélisation des observations de la centrale inertielle............................................ 18 2.3.1. Modélisation de l’accélération ......................................................................... 18 2.3.2. Modélisation du biais d'accélération ................................................................ 19 2.3.3. Modélisation des mesures du gyromètre et lien avec le quaternion................. 19 2.3.4. Modélisation du biais du gyromètre et lien avec le biais sur le quaternion du gyromètre.......................................................................................................................... 19 2.3.5. Modélisation du champ magnétique................................................................. 20 2.4. Position et vitesse du pied du piéton ........................................................................ 20 2.4.1. Modélisation de la vitesse du pied du piéton ................................................... 20 2.4.2. Modélisation de la position du piéton .............................................................. 20 3. Initialisation - Prédiction.................................................................................................. 21 3.1. Initialisation du filtre de Kalman.............................................................................. 21 3.1.1. Initialisation du vecteur d'état........................................................................... 21 3.1.2. Initialisation des variances et des bruits de mesure.......................................... 22 3.2. Phase de prédiction................................................................................................... 25 3.2.1. Lois d'évolution du quaternion et des biais ...................................................... 25 3.2.2. Lois d'évolution de la vitesse et de la position du piéton ................................. 26 3.2.3. Matrice de transition entre deux états............................................................... 27 3.2.4. Loi d’évolution de la variance du système....................................................... 29 Page 4 Camille MARCHAND - Sept. 2014 - INSA - PFE 4. Correction du vecteur d'état.............................................................................................. 31 4.1. Détection de QSA et QSF ........................................................................................ 31 4.2. Application des mises à jour liées............................................................................ 31 4.2.1. ...aux variations du champ magnétique............................................................ 31 4.2.2. ...aux variations de l'accélération...................................................................... 32 4.3. Détection de ZUPT................................................................................................... 33 4.3.1. Détection de pas à l’aide de l’accéléromètre.................................................... 33 4.4. Application de ZUPT ............................................................................................... 35 4.4.1. Innovation liée à la vitesse du pied................................................................... 35 4.4.2. Innovation liée à la position du piéton ............................................................. 35 4.4.3. Mise à jour en ZUPT........................................................................................ 36 5. Acquérir des données en vue d’une solution de référence ............................................... 39 5.1. Rappel des objectifs.................................................................................................. 39 5.2. Description globale des tests .................................................................................... 39 5.2.1. Équipement pour l'acquisition.......................................................................... 39 5.2.2. Parcours effectués............................................................................................. 40 5.3. Étude de précision .................................................................................................... 41 5.3.1. Approche théorique.......................................................................................... 41 5.3.2. Indicateurs de précision effective..................................................................... 43 5.4. Analyse des résultats ................................................................................................ 44 5.4.1. Analyse des traces ............................................................................................ 44 5.4.2. Étude statistique ............................................................................................... 49 5.4.3. Impact des différentes mises-à-jour.................................................................. 49 5.4.4. Présence des QSF pendant les phases d'oscillation du pied ............................. 50 5.5. Recommandations sur le protocole d’acquisition .................................................... 51 5.5.1. Effets des phases statiques imposées................................................................ 51 5.5.2. Vitesse de marche............................................................................................. 53 5.5.3. Conclusion sur les recommandations............................................................... 53 Conclusion................................................................................................................................ 55 Bibliographie............................................................................................................................ 57 Annexes.................................................................................................................................... 59 A.1 Variance d'Allan ................................................................................................................ 61 A.1.1 Définition de la variance d'Allan................................................................................ 61 A.1.2 Variance d'Allan et lien avec la densité spectrale de puissance ................................. 61 A.2 Algèbre des quaternions et propriétés liées ....................................................................... 65 A.2.1 Définition de l'espace des quaternions ....................................................................... 65 A.2.2 Rotation et quaternion ................................................................................................ 66 A.2.3 Angles d'Euler et quaternion ...................................................................................... 66 A.3 Détermination du défaut d’alignement de l’accéléromètre et du biais d’accélération initial par la méthode des moindres carrés.......................................................................................... 69 Page 5 Camille MARCHAND - Sept. 2014 - INSA - PFE Introduction L’institut français des sciences et technologies des transports (IFSTTAR) est un établissement public à caractère scientifique et technologique. C’est un service du ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie ainsi que du ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche. Cet institut a pour but d’améliorer la mobilité des personnes et des biens par la recherche, le développement et l’innovation des points de vue technique, économique, social, sanitaire, énergétique, environnemental et humain. L’IFSTTAR est composé de plusieurs sites répartis dans toute la France, où travaillent 1208 agents. Le site de Nantes regroupe le département Matériaux et structures, le département Géotechnique, environnement, risques naturels et sciences de la terre, le département Aménagement, mobilité et environnement ainsi que le département Composants et systèmes. Ce Projet de Fin d’Études a été réalisé au sein du département Composants et systèmes, dans le laboratoire GEOLOC. Après l’avènement du système de localisation de type GNSS (Global Navigation Satellites System) qui offre des solutions satisfaisantes pour la géolocalisation en zone dégagée, il est devenu primordial de pouvoir se géolocaliser dans les zones non couvertes par les signaux GPS, en zone masquée et même en intérieur [1]. Il existe déjà des solutions permettant de géolocaliser des véhicules ou tout autre moyen de transport dans ce type de lieu. La mobilité des Hommes a évolué et connaître la position d'un piéton est devenue une source d'intérêt pour tous. Plusieurs recherches et développements dans le domaine de la navigation pédestre en intérieur ont déjà été réalisés et apportent des réponses plus ou moins satisfaisantes au problème. Certaines de ces solutions sont dépendantes d'une infrastructure déjà mise en place. La précision sur la position dépend alors de la couverture du réseau. On peut par exemple citer des solutions utilisant un réseau WIFI pour calculer la position du piéton [2]. Dans ce cas, il se peut qu’il y ait une zone dans laquelle les ondes WIFI sont de mauvaise qualité ce qui entraine des imprécisions en termes de calcul de position. L'inter-connectivité des données reçues et émises entraine alors des questions sur la protection des données de l'utilisateur. uploads/Geographie/ centrale-inertielle.pdf