Intégration des Capteurs pour la Navigation Autonome d un Véhicule Intelligent

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1 UNIVERSITE LIBANAISE FACULTE DE GENIE BRANCHE 1 No d'ordre 83/1373/G1-EE/2012 PROJET DE FIN D ÉTUDES Réalisé par Moumtaz EL CHAMI Pour obtenir le Diplôme Ingénieur en Électricité et Électronique Option Télécommunication et Informatique Intégration des Capteurs pour la Navigation Autonome d un Véhicule Intelligent Dirigé par : Dr. Maan EL BADAOUI EL NAJJAR Mr. Nourdine AIT TMAZIRTE Soutenu devant le jury : Dr. Youssef DAHER Dr. Bacem BACKACHE Dr. Amanie RAAD Session Juillet 2012

2 UNIVERSITE LIBANAISE FACULTE DE GENIE BRANCHE 1 No d'ordre 83/1373/G1-EE/2012 PROJET DE FIN D ÉTUDES Réalisé par Moumtaz EL CHAMI Pour obtenir le Diplôme Ingénieur en Électricité et Électronique Option Télécommunication et Informatique Intégration des Capteurs pour la Navigation Autonome d un Véhicule Intelligent Dirigé par : Dr. Maan EL BADAOUI EL NAJJAR Mr. Nourdine AIT TMAZIRTE Soutenu devant le jury : Dr. Youssef DAHER Dr. Bacem BACKACHE Dr. Amanie RAAD Session Juillet 2012

3 UNIVERSITE LIBANAISE FACULTE DE GENIE BRANCHE 1 Intégration des Capteurs pour la Navigation Autonome d un Véhicule Intelligent Rapport de Projet de Fin d Etude, Génie Electrique Electronique, Option Télécommunication et Informatique. Réalisé par Moumtaz EL CHAMI Sous la direction de Dr. Maan EL BADAOUI EL NAJJAR Effectué, de 2 Mars à 30 Juin 2012, au Laboratoire d Automatique Génie Informatique et Signal de l'université Polytech Lille, (LAGIS) UMR CNRS/EC/UL 8219 Lille-France.

4 Remerciements Le travail accompli dans le cadre de ce stage a été réalisé de Mars à Juin 2012 au sein de l équipe STF au Laboratoire d Automatique Génie Informatique et Signal (LAGIS) UMR CNRS\EC\UL 8219, à Polytech Lille1, Lille-France. Au terme de ce travail, je saisis cette occasion pour exprimer mes vifs remerciements au directeur de mon stage, Dr. Maan EL BADAOUI EL NAJJAR Maître de Conférences et Mr. Nourdine AIT TMAZIRTE, qui m ont encadré, et m ont aidé à surmonter les difficultés auxquelles j'ai été confrontées et m'ont poussé à donner le meilleur de moi-même dans mon travail. J espère que ce rapport reflète la richesse des discussions que nous avons eu. Je tiens aussi à remercier Dr. Chaiban Haykal, le Directeur de la faculté de génie Branche 1, et Dr. Haissam ZIADE, le chef de département Electrique Electronique, pour les conditions de scolarité et d étude qu ils ont assuré. Nous exprimons également notre gratitude aux membres du jury, Dr. Youssef DAHER, Dr. Bacem BACKACHE et Dr. Amanie RAAD, qui nous ont honorés en acceptant de juger ce modeste travail. Mes gratitudes et remerciements vont également à Dr. Haissam ZIADE, son orientation depuis toujours et pour l opportunité de stage qu il m a aidé à avoir. Un très grand merci et une reconnaissance infinie, je l adresse à tous mes enseignants à la faculté de génie I de l Université Libanaise. Je remercie aussi ma famille et spécialement mon père, ma mère et mon frère l ingénieure Fadi EL CHAMI et spécifique m a toujours aidé et supporté au cours de mon stage et de toutes les étapes de ma vie. Enfin, j exprime toute ma gratitude à mes collègues. et je leur souhaite une vie professionnelle à la hauteur de leurs compétences. Moumtaz EL CHAMI

5 LABORATOIRE LAGIS ET EQUIPE STF LAGIS BG ID SED STF SyNeR VI Equipe de Systèmes Tolérants aux Fautes Analyse Supervision Diagnostic Surveillance Reconfiguration Le Laboratoire d'automatique, Génie Informatique et Signal (LAGIS FRE CNRS 3303) est une Formation de Recherche en Evolution du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), rattachée à Institut des Sciences Informatiques et de leurs Interactions (INS2I). Les tutelles locales du laboratoire sont l'ecole Centrale de Lille et l'université Lille 1. Sa structure scientifique est constituée de six équipes de recherche. Les membres du LAGIS impliqués dans le projet possèdent une expertise reconnue dans les domaines de la surveillance, du diagnostic et de la tolérance aux défaillances appliqués aux systèmes de supervision. Le but est de détecter des anomalies ou avaries afin d enclencher les modes dégradés ou de protections appropriés. Dans ce projet, ces expertises seront mise en œuvre par des approches de fusion de données multicapteurs, ainsi que des modèles et des méthodes d analyse en vue de la conception et l implémentation d algorithmes de localisation sûre avec supervision de l intégrité de la méthode de fusion de données multicapteurs. L équipe STF (Systèmes Tolérants aux Fautes) est composée de 6 professeurs et 9 maîtres de conférences. Les transports constituent une des activités applicatives majeures de l équipe STF. L équipe STF mène une collaboration de longue date avec l équipe MAIA de l INRIA Nancy-Grand Est dans le cadre des projets FD2S et FDADI (du GIS 3SGS) et du projet européen InTraDE (Interreg IVB) ainsi que dans la codirection d une thèse de doctorat sur le problème de la fusion de données pour la localisation multi-véhicules. Les membres de l équipe ont participé et participent aux projets suivants : projet PEPSAT (Pôle de compétences européen sur le navigation parsatellites), projet RAVIOLI (Radar et VIsion Orientables, LIdar), projet NAPVURA du CISIT (Campus International sur la Sécurité et l Intermodalité dans les Transports) du CPER Nord Pas de Calais et projet européen InTraDE (Intelligent Transportation for Dynamic Environment) dont le LAGIS est le porteur.

6 Résumé La prise en compte de la sécurité routière impose de plus en plus l intégration de systèmes avancés d assistance au conducteur. De nombreuses applications de sécurité et de confort de la conduite peuvent être citées : régulateur de vitesse adaptatif, contrôle adaptatif des phares, prévention de collision, alerte de sortie de voie, etc. Avec ces systèmes, la notion du véhicule intelligent a vu le jour. Le développement de ces véhicules urbains autonomes ainsi que des systèmes d'aide à la conduite pour les véhicules non autonomes impose au véhicule intelligent de remplir plusieurs tâches : la localisation du véhicule, la détection des obstacles, la planification de trajectoire, les systèmes d alerte de franchissement de ligne Ce projet requiert une localisation caractérisée principalement par sa précision, sa disponibilité et son intégrité. Un système de navigation seul n est pas en mesure de répondre à cette problématique. Ainsi, il est nécessaire de coupler les mesures GNSS à une ou plusieurs source(s) tierce(s). Dans le cadre de ce projet, une cartographie 3D a été retenue. Actuellement, les méthodes de localisation sur cartes 2D ou 3D mettent en œuvre principalement une approche dite de «couplage lâche» dans laquelle on fusionne, généralement par le filtre de Kalman, les mesures fournies par un récepteur GPS avec une cartographie 2D ou 3D ainsi que d autres capteurs. Le niveau de couplage peut être plus ou moins avancé : ainsi certains algorithmes comportent une boucle de contrôle de la centrale inertielle par GPS dont le but est de corriger en temps réel la dérive de celle-ci. Cette approche présente des limites comme notamment celle de devoir fusionner les mesures GNSS avec les mesures des capteurs proprioceptifs (odomètre, gyromètre, télémètre ) en cas de masquage satellitaire. Pour traiter ce problème, une nouvelle notion de «couplage serré» est en vue de se développer. Elle cherche à fusionner les mesures brutes d un GPS avec des mesures construites à l aide de la base de données cartographique 3D. L avantage résultant est donc une meilleure intégrité et une meilleure disponibilité au prix d un processus de calcul plus sophistiqué.

7 Abstract The inclusion of road safety requires more integration of ADAS (Advanced Driver Assistance System). Many applications of safety and ride comfort can be cited: adaptive cruise control, adaptive control of lights, collision avoidance, lane departure warning, etc... And with these systems, the concept of intelligent vehicle has emerged. The development of these urban and autonomous vehicles, and also the development of systems for assisted driving vehicles require that the intelligent vehicle perform several tasks: vehicle tracking, obstacle detection, path planning, and systems of line departure warning... This project requires a location mainly characterized by its accuracy, availability and integrity. A navigation system alone is not able to procure them. Thus, it is necessary to couple the GNSS measurements to one or more source (s). Under this project, a 3D mapping was used. Currently, methods of localization on 2D or 3D maps are implemented mainly an approach known as "loose coupling" in which we merge the measurements provided by a GPS receiver with mapping a 2D or 3D and other sensors and that is done generally by using the Kalman filter. The level of coupling may be more or less advanced: some algorithms include a control loop of the inertial GPS whose purpose is to correct real-time drift of it. This approach has limitations as including that of having to merge GNSS measurements with measures of sensors (odometer, gyroscope, rangefinder...) in case of satellite masking. To solve this problem, a new concept of "tight coupling" is to grow. It seeks to combine the raw measurements of GPS with measures constructed using the mapping database 3D. The advantage resulting is a greater integrity and better availability but a more sophisticated calculation process.

8 LISTE DES ABREVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES NAVSTAR : NAVigation Satellite Time And Ranging. GNSS : Global Navigation Satellite System. GPS : Global Positioning System. GLONASS : Global Navigation Satellite System. SBAS : Satellite Based Augmentation System. RAIM : Receiver Autonomous Integrity Monitor. RTK : Real Time Kinematic. SNR : Signal-to-Noise Ratio. L1 : The MHz GPS carrier frequency including C/A and P Code. L2 : The MHz secondary GPS carrier frequency (P Code only). L2C : The L2 civilian code transmitted at the L2 frequency ( MHz). L5 : 3rd civil GPS frequency that tracks at low signal-to-noise ratios ( MHz). E1 : Fréquence Galileo ( MHz). E5 : Fréquence Galileo ( 1191,795 MHz). E5a : Fréquence Galileo ( 1176,45 MHz). E5b : Fréquence Galileo (1207,14 MHz). E6 : Fréquence Galileo ( 1278,75 MHz) for special services. PVT : Position Velocity Time. RINEX : Receiver Independent Exchange Format. API : Application Programming Interface. DoD : Department of Defense (U.S.). PRN : Pseudo Random Number. xpps : x Pulse Per Second. C/A Code : Coarse/Acquisition Code. ASCII : American Standard Code for Information Interchange. CRC : Cyclic Redundancy Check. RTK : Real Time Kinematic. WAAS : Wide Area Augmentation System. GUI : Graphical User Interface. Gyro : Gyroscope. DGPS : Differential Global Positioning System.

9 TABLE DE MATIERES INTRODUCTION GENERALE ET CAHIER DE CHARGES Cahier de charges :... 5 Description du matériel et des logiciels :... 6 Chapitre I Les systèmes de navigation par satellite, Notions Fondamentales I.1. Introduction :... 9 I.2. Architecture du GNSS :... 9 I.3. Services du GPS : I.4. Terminologie GPS : I.5. Le principe du positionnement : I.5.1. La triangulation : I.5.2. Principe : I.5.3. Les sources d erreurs : I Le satellite : I Le milieu traversé : I L environnement de réception : I Le récepteur : I Effets des sources d erreurs : I.6. L aspect signal du GNSS : I.6.1. Les ondes porteuses : I.6.2. Les types de positionnement : I La pseudo-distance : I La phase : I.6.3. Techniques de positionnement : I Positionnement absolu : I Positionnement relatif : I.7. Nouvelle génération : Récepteur GNSS Ouvert/Multi fréquence : Chapitre II TRAVEL : Une plateforme au service de la recherche II.1. Introduction : II.2. Architecture du CyCab : II.3. Le télémètre ibeo LUX : II.3.1. Principe de fonctionnement : Page: 1

10 II.3.2. Caractéristiques techniques : II.3.3. Alimentation : II.3.4. Type de communication : II.3.5. L interface graphique IBEO LaserView (Basic ou Premium) Edition II.3.6. Données en provenance de Ibeo LUX : II.4. Le PolaRx2e@: le Recepteur GPS ouvert : II.4.1. Présentation du PolaRx2e@ : II.4.2. Types de connexion et d interfaçage : II.4.3. Modes de fonctionnement : II.4.4. Configuration en mode multi-antennes : II.4.5. Format de données récupérées : II Fichier SBF : II Repères de référence dans l espace : II.4.6. Le RxControl : II Présentation du logiciel : II Modes de visualisation : II.5. Le AsteRx3 : le Recepteur GNSS Ouvert/Multi fréquence : II.5.1. Présentation du AsteRx3 : II.5.2. Caractéristiques principales : II.5.3. Types de connexion et d interfaçage : II.5.4. Le RxControl de "AsteRx3" : II.6. Capteurs embarqués au bord du CyCab : II.6.1. SAGITTA 02 : II.6.2. Télémètre laser SICK LMS 291 : II.6.3. GyroScope optique KVH : II.7. Le modèle 3D : une source d information riche et prometteuse II.7.1. Présentation : II.7.2. Utilité du modele 3D dans la recherche : Chapitre III Plateforme d acquisition et de Traitement des données multi-capteurs III.1. Introduction et problématique : III.2. Solution proposé : III.2.1 Solution materiel «hardware» : III Faisabilité du Solution hardware : III Solution adoptée : Page: 2

11 III.2.2. Solution logiciel «Software» : III Datage des trames recus par les capteurs de Septentrio via le port RS232 : III Architecture de la plateforme d acquisition : III.3. Les pilotes développées : III.3.1. Les pilotes PolaRx2e@ et AsteRx3 : III.3.2. Le pilote de Télémètre laser Ibeo LUX : CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES:...50 ANNEXE A DEFINITIONS DES FORMAT RINEX ET EXAMPLES A.1. GNSS Observation Data File - Header Section Description A.2. GNSS Observation Data File Data Record Description A.3. GNSS Observation Data File Exemple A.4. GNSS Navigation Message File Header Section Description A.5. GNSS Navigation Message File GPS Data Record Description A.6. GPS Navigation Message File Exemple A.7. GNSS Navigation Message File GALILEO Data Record Description A.8. GALILEO Navigation Message File Exemple A.9. GNSS Navigation Message File GLONASS Data Record Description A.10. GNSS Navigation Message File Exemple :Mixed GPS / GLONASS A.11. GNSS Navigation Message File SBAS Data Record Description A.12. GNSS Navigation Message File Exemple A.13. Meteorological Data File Header Section Description A.14. Meteorological Data File Data Record Description A.15. Meteorological Data File - Exemple ANNEXE B GNSS B.1. GPS : B.2. GLONASS B.3. GALILEO B.4. COMPASS B.5. EGNOS, WAAS ANNEXE C Repères Géodésiques C.1. Géodésie C.2. Le système WGS84 (World Geodetic System 1984) C.3. Est local, du nord, vers le haut (ENU, East, North, Up) Page: 3

12 C.4. Nord local, est, vers le bas (NED, North, East, Down) C.5. Earth Centred Earth Fixed (ECEF) C.6. Les systèmes de coordonnées français : C.6.1. Projection cylindrique C.6.2. Projection conique C.6.3. Lambert : Projection associée au système géodésique NTF C.6.3. Lambert-93 : Projection associée au système géodésique RGF ANNEXE D Référentiels Temporels D.1. Système de référence de temps D.2. Temps atomique international (TAI) D.3. Temps Universel UT D.4. Temps UTC D.5. Temps GPS D.6. Temps UNIX D.7. Temps PC et le temps local REFERENCES Page: 4

13 INTRODUCTION GENERALE ET CAHIER DE CHARGES Le sujet de ce stage étant intitulé l "Intégration des Capteurs pour la Navigation Autonome d un Véhicule Intelligent". Le travail consiste alors en l intégration d un GPS ouvert (multi-antenne) " PolaRx2e@ ", d un récepteur (Multi-fréquence) " AsteRx3(GPS/GLONASS/Galileo/ SBAS/COMPASS-ready) " pour la géo-localisation au bord de la plateforme TRAVEL et d un Télémètre " Ibeo- LUX" Laser à huit nappes (plans) pour la détection d obstacles. L intégration des données de géo-référencement du modèle 3D et des distances télémétriques dans le calcul du positionnement GNSS est un couplage serré inédit dans le monde de la géolocalisation. La mission est alors de préparer une connexion physique (hardware), de chercher la meilleure configuration qui convient le plus à l application, de communiquer avec ces capteurs via des programmes (pilotes) en C# et C++, de traiter les données récupérées pour qu elles soient utilisées dans le développement de l algorithme se basant sur la notion du "couplage serré ", enfin il est nécessaire de valider les données et les tester et cela via le modèle 3D. Cahier de charges : L équipe STF se dota d un télémètre " Ibeo LUX " Laser à huit nappes et d un GPS ouvert de type Septentrio et d un récepteur (Multi-fréquence) " AsteRx3". L objectif du travail est l intégration de ces trois nouveaux capteurs sur la plateforme TRAVEL (constituée de trois véhicules de type RobuCar produits par ROBOSOFT). L objectif est également de réaliser des campagnes d acquisition des données capteurs en se basant sur la plateforme d acquisition, de datage, de synchronisation et de stockage de mesures capteurs développées sur la plateforme TRAVEL du laboratoire LAGIS. Des améliorations sur cette plateforme est également à réaliser spécialement sur le datage des mesures capteurs ainsi que l intégration des modules de communications inter-véhicules. Alors mon travail est divisé en 4 parties : Préparer et Configurer(dévélopper les pilotes necesaires) les récepteur PolaRx2@ et AsteRx3 pour l acquisition de données brutes délivrées par les différentes constellations de satellites des systèmes GNSS. Préparer le récepteur SAGITTA 2 de Thales (récepteur a erreur centimétrique) permettant d avoir un trajet de référence. Page: 5

14 Préparer et Configurer(dévélopper le pilote nécessaire) le télémètre Laser " Ibeo- LUX" pour faire l acquisition de données de position des obestacle suivant (x,y,z). Etablir une architecture garantissant la synchronisation des données des différents capteurs qui sont (GPS ouvert, GPS RTK, télémètre Laser, Gyro et ODO). (Fig. 0.1) Fig.0.1 : Synchronisation des données Description du matériel et des logiciels : Le télémètre Laser Ibeo LUX est fourni par la société IBEO, c est un télémètre à huit nappes (16 avec l écho). La communication se fait via un réseau Ethernet qui permet le transfert de données en temps réel (couvrant une ouverture de 110 avec une résolution angulaire de à 1 et d une portée de 200 mètres). Un programme C est développé pour l initialisation de la carte et un autre programme C++ MFC (Microsoft familles de classes) est développé afin de récupérer les données qu il fournit et les stocker dans des fichiers textes. Un programme Matlab est développé afin de récupérer les données du télémètre Laser Ibeo LUX et les mettre dans le bon format pour les introduire dans le modèle 2D ou 3D. Le PolaRx2e@ et le AsteRx3 sont deux récepteur GNSS ouvert fourni par l entreprise Septentrio. Ils sont configurables soit via un logiciel RxControl fourni par la même entreprise, soit via HyperTerminal ou tout autre gestionnaire de périphériques. Deux programmes pilotes en C# (PolaRx2e@ Driver et AsterRx3 Driver) sont développées pour répondre à la nécessité de synchronisation des différents capteurs et en une seconde étape, cette synchronisation est faite via le port série RS232. Donc en total, j ai développé trois programmes pilots et un en matlab pour assurer le datage, la synchronisation et le stockage des mesures capteurs. Page: 6

15 Avantages apportés : Le CyCab dispose déjà d un télémètre laser et d un récepteur GPS, pourquoi alors intégrer de nouveau deux autres capteurs? Ce n est pas par hasard que l équipe tente d intégrer de nouveau un télémètre et deux récepteurs GNSS. En fait, le télémètre existant au bord du CyCab est un télémètre Laser à une seule nappe. Dans plusieurs situations, cela ne permet pas de détecter les obstacles. Alors que le nouveau télémètre Ibeo LUX est un télémètre laser à huit (seize) nappes et qui surmonte alors les limitations que cause le balayage à une seule nappe. Pour le GPS, le GPS SAGITTA déjà existant au bord du CyCab, est un récepteur GPS fermé c.à.d. il donne la position du véhicule directement et en haute précision au centimètre prêt. Alors que le récepteur PolaRx2e@ et AsterRx3 sont des récepteur GNSS ouvert : ils fournissent les données brutes des satellites (éphémérides, almanachs, données GPS/GLONASS/Galileo/SBAS..). Avec ces données, l équipe sera capable de développer ses propres approches de calcul de géo-position. Ce présent rapport a pour but d'expliciter le cahier de charges, de présenter le matériel avec les différents éléments de programmation et de commande, développées, et de retracer les différentes tâches effectuées durant les quatre mois. Le plan de ce rapport est de la forme suivante : Le Premier Chapitre présente le système de positionnement par satellites (GPS) et explique le principe de fonctionnement de ce système. Le Deuxième Chapitre présente la plateforme TRAVEL et les trois nouveaux capteurs à intégrer. Le Troisième Chapitre présente Plateforme d acquisition et de Traitement des données multi-capteurs, le pré-traitement effectué et la validation de ces données récupérées. Page: 7

16 Chapitre I Les systèmes de navigation par satellite, Notions Fondamentales Page: 8

17 Chapitre I Les systèmes de navigation par satellite, Notions Fondamentales I.1. Introduction : Le système NAVSTAR (Navigation System by Timing and Ranging) aussi appelé GPS (Global Positioning System) est un système de positionnement par satellites conçu et mis en service et maintenu par le ministère de la défense des Etats unis (US DoD). Le système GPS a été conçu au départ pour des applications militaires mais sous les directives du Congrès américain, le DoD a favorisé son utilisation pour des applications civiles pour devenir actuellement un système dual militaire et civil. I.2. Architecture du GNSS : Les GNSS (Global Navigation Satellite System) sont dit globaux, ceci exprime le fait qu il s agit bien d un système global, et non de seules constellations de satellites. En effet, les satellites seuls ne pourraient à terme garantir l intégrité des données transmises. Ainsi le système, pour son bon fonctionnement requiert trois secteurs (Figure 1-1): Le segment spatial, constitué de l ensemble des satellites en orbites. L orbite des satellites est quasi-circulaire, leur altitude est d environ km pour une période d environ 12 heures. Le segment de contrôle qui permet le pilotage du système, et permet la connaissance en tout moment de la position d un satellite. Ce secteur qui dépend de l'armée américaine comporte cinq stations chargées de maintenir le système opérationnel de façon permanente. Le secteur utilisateur qui est l ensemble des utilisateurs civils, militaires et commerciaux du système. Figure 1-1: Segments du GNSS. Page: 9

18 I.3. Services du GPS : Le GPS offre deux services, le service SPS (Standard Positioning Service) et le service PPS (Precise Positioning Service). Le service SPS est librement accessible à tout usager muni d un récepteur mono fréquence. Ce service est utilisé couramment dans les applications civiles fondées sur le GPS. Le service PPS repose sur l utilisation de deux fréquences. Il est destiné principalement aux forces armées et agences gouvernementales américaines. Ce service fournit une meilleure précision que le service SPS, grâce à l utilisation de deux fréquences et d un code plus complexe et précis. Le futur GPS modernisé inclura une nouvelle fréquence et un nouveau code, permettant d élargir l offre des services actuel. I.4. Terminologie GPS : Plusieurs termes sont utilisés dans le domaine GPS : PRN, Almanach et Ephémérides sont les plus répandus. Le pseudo-code aléatoire PRN est un code d'identification qui indique quel satellite est en train de transmettre des informations. L Almanach renferme des données qui décrivent les orbites des satellites. Le récepteur GPS utilise ces données pour déterminer les satellites à suivre dans le ciel local. Avec les données d'almanach le récepteur peut se concentrer sur les satellites, il peut voir et oublier ceux qui seraient à l'horizon et hors de vue. Les données almanachs sont valables pour une journée. Les données éphémérides sont des données qui indiquent au récepteur GPS la position de chaque satellite. Chaque satellite diffusera ses éphémérides PROPRES montrant l'information orbitale pour ce seul satellite. Les éphémérides sont diffusées toutes les 30 secondes. Les données sont considérées comme valables pour un maximum de 4 heures. I.5. Le principe du positionnement : I.5.1. La triangulation : Figure 1-2: La triangulation. Page: 10

19 Le principe est simple : ayant connu la distance séparant le récepteur de trois satellites, chaque satellite fournit alors un lieu géométrique qui n est autre qu une sphère dont le centre est le satellite correspondant. L intersection de ces trois sphères fournit deux points dont l un est sur la terre et l autre dans l espace (Figure 1-2). Le récepteur est alors celui sur la terre. Or, en réalité on a besoin de quatre satellites au moins pour se positionner. En fait, dans un espace 2D, il faut deux satellites (A et B) pour repérer un point. A l'intersection de deux mesures de A et B on obtient le point X. Mais si les satellites ont commis une erreur, on obtiendra le point XX. En utilisant un troisième satellite : sans erreur de mesure, le 3ème satellite confirme le résultat des 2 autres, tandis que dans le cas d'erreur, le 3ème satellite permet de définir une zone dans laquelle se trouve le point à trouver (Figure1-3a). Figure1-3a: Exemple en 2D. En raisonnant dans un espace 3D, on comprend donc pourquoi il faut recourir à un quatrième satellite [1] (Figure1-3b). Figure1-3b: localisation 4D. Page: 11

20 I.5.2. Principe : Les systèmes de navigation par satellites reposent sur le même principe de fonctionnement. Chaque satellite de la constellation diffuse en permanence un signal vers l ensemble des zones visibles de la Terre, et chaque satellite inclut dans son signal les informations donnant sa position précise dans l espace. Sur Terre, un nombre illimité de récepteurs utilisateurs sont en attente de ces signaux. Chacun de ces récepteurs exécute les étapes suivantes : Réception des signaux provenant d au moins quatre satellites de la constellation. Mesure des distances qui le séparent de ces quatre satellites. Calcul de sa position en combinant les quatre mesures de distance avec les informations de position de chacun des satellites et qui sont diffusées dans leur signal. À partir de la réception des signaux des satellites, chaque récepteur établit sa position de manière autonome grâce à un mini calculateur intégré. Pour établir la position d un récepteur, deux techniques existent : soit le positionnement absolu, soit le positionnement relatif ou différentiel. Les techniques différentielles seront étendues dans la rubrique technique de positionnement ultérieurement. I.5.3. Les sources d erreurs : Les satellites placés en orbite à une altitude avoisinant les km, il est difficile d atteindre un positionnement parfait de l ordre millimétrique. Aussi tout au long du processus de positionnement des erreurs sont à déplorer (Figure 1-4). La plupart sont estimables, et peuvent être répercuté dans le calcul du positionnement [2]. Figure 1-4: Les différentes sources d erreurs. I Le satellite : La première erreur prise en compte est l inexactitude de l horloge du satellite. Même s ils embarquent des horloges atomiques de très haute précision, des dérives s introduisant dans le message de navigation sont toujours constatables. Les horloges des satellites doivent donc être parfaitement synchronisées à une horloge de référence installée dans les centres de contrôle du segment sol. Page: 12

21 Liées également aux satellites, les erreurs sont induites par les éphémérides. Les éphémérides sont calculées et corrigées dans les stations au sol et envoyées aux satellites. Cependant, le satellite sur son orbite est soumis à de faibles mouvements qui l éloignent de son orbite théorique. En considérant la dynamique des satellites, il faut inclure l effet Doppler dû à la vitesse des satellites et la vitesse de rotation de la Terre. Il existe aussi un effet relativiste, conséquence des différents comportements des horloges des satellites orbitant autour de la Terre et les horloges des récepteurs au sol. I Le milieu traversé : Il existe deux erreurs différentes dont l origine est imputée à la traversée de l atmosphère. D une part, l erreur ionosphérique, provoquée par l ionisation présente dans cette couche, cause du délai ionosphérique, d autre part, l erreur troposphérique, similaire pour toutes les fréquences, car il s agit d un milieu non dispersif, à la différence de l ionosphère. I L environnement de réception : Cet effet est appelé «multi-trajets». Il est la conséquence des réflexions sur les obstacles proches de l antenne du récepteur et qui induisent des interférences. Les interférences produites entre plusieurs ondes directes et réfléchies perturbent la mesure en déformant la fonction de corrélation. I Le récepteur : On considère là, par exemple, les erreurs dus à l antenne et aux circuits qui conforment le système de réception. I Effets des sources d erreurs : Les différentes sources déjà citées induisent donc des erreurs perceptibles lors de la résolution du positionnement. Elles sont quantifiables et sont souvent proches des données suivantes : SOURCES D ERREUR ERREUR TYPIQUE (m) Ionosphère non modélisée 4 Troposphère 0.7 Réflexions parasites 1.4 Horloge et précision des satellites 3 Bruit du récepteur 0.5 Erreur par satellite ~ 5.5 Table 1-1: effet des sources d erreurs. Page: 13

22 I.6. L aspect signal du GNSS : I.6.1. Les ondes porteuses : La compréhension des systèmes de positionnement passe indispensablement par la connaissance des signaux émis [2]. Ci-après, un aspect général des signaux GPS est développé. La figure suivante montre un schéma de la répartition des fréquences (Figure 1-5). pour les systèmes GPS, Galileo et Glonass. Dans cette figure, les blocs en gris représentent les espaces qui appartiennent à d autres systèmes GNSS. Figure 1-5: Répartition fréquentielle des satellites. Chaque satellite génère un signal dont la stabilité en fréquence est assurée avec une très grande fiabilité grâce aux horloges atomiques embarquées. À partir de la fréquence fondamentale établie à MHz, l émetteur génère deux ondes : L1 = MHz L2 = MHz Celles-ci sont les ondes porteuses, modulées par la phase avant d être envoyés vers la Terre. La (Figure 1-6) montre de quelle façon est structuré le signal GPS à partir de la modulation par la phase des deux porteuses. Figure 1-6: Structure du signal GPS. Page: 14

23 Le signal formé, et envoyé par le satellite est composé de la manière suivante : Un message qui comporte en particulier les éphémérides du satellite, des coefficients de modèle ionosphérique global simplifié, l état de santé du satellite, un modèle polynomial caractérisant le fonctionnement de son horloge, l écart entre le temps GPS et le temps UTC (Temps Universel Coordonnée). Des codes pseudo-aléatoires, PRN : code C/A ou Coarse/Acquisition code (sur L1), code P ou Précision code (sur L1 et L2). Le code C/A est accessible à tout utilisateur, qui a ainsi accès au SPS. Le code P est réservé à l armée américaine et à des utilisateurs autorisés. Le code P correspond au PPS. Les porteuses son modulées en mode PSK par la somme d une séquence pseudoaléatoire constitutive du code PRN et du signal de navigation du satellite. Pour L1, la modulation est composée du code C/A et des données. Cette porteuse déphasée en quadrature reçoit de plus une modulation composée du code P et des données. Pour L2, la modulation est composée uniquement du code P et des données. On peut donc écrire : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Equation 1-1 ( ) ( ) ( ) Equation 1-2 Avec : a 1 et a 2 : amplitudes de L1 et L2 P(t), C/A(t), D(t) : fonctions du temps ne prenant que les valeurs +1 ou 1 qui représentent respectivement les codes P et C/A ainsi que les données du message. I.6.2. Les types de positionnement : Tel qu il a été dit précédemment, le positionnement d un récepteur GPS se base sur la mesure de la distance entre le récepteur et le satellite qui a émis le signal. Deux types de mesures sont possibles : la mesure de la pseudo-distance, établie à partir du code, et la mesure de phase. I La pseudo-distance : Le satellite possède une horloge et introduit dans son signal, à des instants très précis une modulation qui se propage jusqu au récepteur de l utilisateur. Le récepteur possède également une horloge, par rapport à laquelle il mesure très précisément à quel instant cette modulation est reçu. En comparant l instant d émission et l instant de réception le récepteur de l utilisateur peut déterminer le temps de propagation entre le satellite et le récepteur. Connaissant la vitesse de propagation du signal provenant des satellites, qui correspond à la vitesse de la lumière, le récepteur peut déduire la distance parcourue par ce signal, et donc la distance qui le sépare du satellite. Donc, la mesure de pseudo-distance Page: 15

24 nécessite la connaissance des codes pseudo-aléatoires. Le récepteur génère une réplique du code satellite, qui est synchronisée avec le code satellite. Figure 1-7: Comparaison entre les signaux sur les codes. Les horloges du satellite et du récepteur ne pouvant pas être parfaitement synchronisées, il y a donc une erreur induite (Figure 1-7). L Equation 1-3 montre l expression de la pseudo-distance incluant les différentes sources d erreurs. Où : Equation 1-3 d : distance géométrique entre le récepteur et le satellite i : retard ionosphérique. t : retard troposphérique h s, h r : dérives des horloges de satellite et récepteur respectivement m : multi-trajet ε r : bruit de mesure au récepteur I La phase : La mesure de phase se fait sur les ondes porteuses L1 et L2 de longueurs d onde 19 et 24.4 cm. Figure 1-8: Comparaison entre le signal reçu et le signal du récepteur sur la porteuse. Le principe de la mesure est la comparaison de la phase du signal reçu par le récepteur avec la phase du signal généré par le récepteur, réplique du signal du satellite. Lorsque le récepteur compare la phase de son signal à la phase du signal qu il reçoit, on obtient un déphasage Δφ (Figure 1-8). Page: 16

25 De façon similaire aux pseudo-distances, pour la phase on peut avoir une expression équivalente incluant les différentes sources d erreur, tel qu on peut l apprécier dans l Equation1-4 Equation 1-4 Où : M : multi-trajet E r : bruit de mesure au récepteur N, λ : constante d ambiguïté de phase et longueur d onde respectivement I.6.3. Techniques de positionnement : I Positionnement absolu : Figure 1-9: Positionnement absolu. Le positionnement absolu (Figure 1-9) consiste à déterminer les coordonnées d'un point quelconque de la Terre en utilisant les codes générés par les satellites. Il est qualifié d'absolu car il considère la relation entre un récepteur et plusieurs satellites. Les éphémérides du satellite transmises par le message permettent de calculer la position du satellite dans un repère terrestre à l instant de l observation. Un 4 ème satellite est nécessaire et cela pour tenir compte du non synchronisation des horloges du récepteur et des satellites. Ce type de positionnement est peu précis [3]. I Positionnement relatif : Le positionnement relatif (Figure 1-10) fait intervenir deux récepteurs qui enregistrent simultanément les signaux GPS sur deux points différents. Dans ce cas, on s'intéresse au vecteur spatial reliant ces deux points. La connaissance d'un point de référence dans un système de coordonnées permet de rattacher précisément chaque vecteur à ce dernier, c'est pourquoi l'on parle de positionnement relatif Ce mode est utilisé pour les applications de géodésie et de mensurations précises [3]. Figure 1-10: Positionnement relatif. Page: 17

26 I.7. Nouvelle génération : Récepteur GNSS Ouvert/Multi fréquence : De nos jours, une nouvelle classification des récepteurs existe, le récepteur GPS peut-être soit fermé soit ouvert. La présente invention concerne le domaine des systèmes de radionavigation par satellites et plus particulièrement les récepteurs multifréquences. L'invention concerne les récepteurs capables de recevoir des fréquences différentes provenant d'une même ou de différentes constellations de satellites de manière à corréler des informations pour déterminer sa propre position. L'invention traite de la partie radiofréquence d'un récepteur GNSS, dont l'acronyme signifie dans la terminologie anglo-saxonne "Global Navigation Satellite System", de l'optimisation de la chaine de réception et de la mutualisation des moyens de réception de fréquences différentes. Donc un récepteur est dit multi fréquence peut utiliser les systèmes GPS/GLONASS/ GALILEO /Compass. Un récepteur GPS «fermé» ne fournit que la position de son utilisateur selon un algorithme propre à chaque fabriquant. L utilisateur n a accès qu à sa position. Un récepteur est dit ouvert lorsqu il fournit, outre la position de l utilisateur, l ensemble de données brutes des satellites. Note : GLONASS : positionnement par satellite actuellement utilisé par la Russie. Né durant la guerre froide, le programme GLONASS a vu ses premiers satellites placés en orbite en octobre 1982.Il compte actuellement entre 7 et 10 satellites en état de fonctionner alors que la constellation initiale prévue était de 24 satellites. GALILEO : désigne le système européen de navigation par satellite, initiative lancée par l'union européenne et l'agence spatiale européenne (ESA). SBAS : systèmes complémentaires d'amélioration de la précision ont été développés ( SBAS, Satellite based augmentation system ),il est développé par l'union européenne, est un réseau de quarante stations au sol dans toute l Europe, couplé à des satellites géostationnaires, qui améliore la fiabilité et la précision des données du GPS, et corrige certaines erreurs. Compass :est un projet régional chinois de système de navigation et de positionnement par satellites, visant à s'affranchir de la dépendance au GPS américain. Le projet est aussi connu sous le nom de Beidou Navigation Satellite System, l'évolution future de Beidou, qui rendra le système global (disponible dans le monde entier). Page: 18

27 Chapitre II TRAVEL : Une plateforme au service de la recherche Page: 19

28 Chapitre II TRAVEL : Une plateforme au service de la recherche II.1. Introduction : La conception de véhicule autonome est un domaine de recherche en pleine expansion, et qui présente des enjeux industriels et économiques considérables. Le développement de ces véhicules urbains dits autonomes ainsi que des systèmes d'aide à la conduite pour les véhicules non autonomes impose au véhicule intelligent de remplir plusieurs tâches : la localisation du véhicule, la détection des obstacles, la planification de trajectoire, les systèmes d alerte de franchissement de ligne Le LAGIS est un des plus importants laboratoires qui s intéressent à ce domaine et y mènent plusieurs recherches. Un réseau formé de trois CyCabs équipés par un ensemble de capteurs forme ce qu on appelle la «Plateforme TRAVEL», cette plateforme qui est au service du LAGIS pour valider les résultats de la recherche. II.2. Architecture du CyCab : Ce véhicule a été mis au point dans le cadre de l'action «La Route Automatisée», et produit par la société Robosoft. Le CyCab (Figure 2-1) est le prototype d un petit véhicule électrique de transport en libre-service pour la ville de demain. Ce système de transport public est basé sur une flotte de voitures électriques spécifiquement conçus pour les zones où la circulation automobile est fortement restreinte [4]. Figure 2-1: Le CyCab. Page: 20

29 Les caractéristiques techniques du CyCab sont les suivantes : Longueur du véhicule : 1,83m. Largeur du véhicule : 1,306 m avec les roues. Hauteur du véhicule : m. Poids total avec les batteries : 310 kg. Motorisation : 4 moteurs à courant continu électriques de 1200 Watts 4 roues motrices et directrices. Vitesse théorique maximale : km/h. Autonomie : 2 heures d'utilisation continue à 18 km/h. Conduite manuelle à l'aide d'un joystick. II.3. Le télémètre ibeo LUX : II.3.1. Principe de fonctionnement : Figure 2-2: Le télémètre Ibeo LUX. Le télémètre Ibeo LUX (Figure 2-2) de la gamme IBEO est un télémètre à huit nappes (16 nappes avec l écho) à temps de vol avec un système de rotation du faisceau émis. Le télémètre laser à temps de vol est un capteur se basant sur le temps mis par une impulsion lumineuse pour faire l aller-retour à un objet. Pour cela, une impulsion lumineuse très courte est émise par une diode laser ; en même temps une horloge est démarrée. L impulsion est renvoyée en partie par le premier obstacle rencontré. L horloge est arrêtée au retour de l impulsion lumineuse. La distance à l obstacle est proportionnelle au temps mis par l impulsion lumineuse pour faire l aller-retour (2*Distance=C/Temps, Figure 2-3). Le faisceau lumineux émis est dévié par un miroir tournant à vitesse constante, permettant de balayer une surface de 110 et de résolution de à 1. Le moteur qui entraine la rotation du miroir peut avoir une fréquence de rotation entre 12,5Hz à 50Hz. La fréquence de rotation est directement liée à la résolution du pas d angle du balayage [5]. Connaissant la position angulaire du tir et la distance à l obstacle, on peut en déduire la position des objets dans un plan, en coordonnées polaires. Les données récupérées sont envoyées via le réseau Arcnet à l ordinateur pour être enregistrées et traitées. Page: 21

30 Figure 2-3: Idée de base du télémètre. II.3.2. Caractéristiques techniques : Contrairement à un télémètre à une nappe qui n émet qu un seul faisceau lumineux, ibeo LUX émet quatre faisceaux lumineux pour la détection et la localisation des objets dans son environnement. Les faisceaux sont espacés de 0.8 verticalement d ouverture 3.2 (Figure 2-4). La multiplicité des faisceaux lumineux élimine le problème du multi trajet ou le problème de nid de poule (Figure 2-6) qui peut fausser l interprétation des données en provenance d un télémètre à une nappe. Plus le télémètre possède des nappes, plus qu il est robuste et fiable. Le miroir tourne à vitesse constante, les signaux sont émis à intervalles réguliers, correspondant à un décalage de au minimum entre chaque émission. L angle d ouverture maximal de balayage est de 110 (Figure 2-5). Figure 2-4: Les huit nappes. Figure 2-5: Zones de balayage. Page: 22

31 Figure 2-6: Phénomène du «nid de poule». II.3.3. Alimentation : Le Laser Ibeo LUX est livré sans source d alimentation. Le Laser est alimenté avec une tension d alimentation entre 12V à 15V DC. Il est mieux de séparer la source d alimentation du laser des autres appareils dans le CyCab car le laser nécessite un appel en courant quasi constant. Le laser a une consommation de puissance de 12W. Pour le but du développement de cette interface un UPS est utilisé pour alimenter le laser. Lorsque le laser est intégré avec d autres capteurs dans le CyCab, une batterie fournissant une tension de 12V est utilisée. II.3.4. Type de communication : La communication avec le laser est faite via un réseau de connexion Ethernet point à point (Figure 2-7). En plus, une interface graphique (IHM) est réalisée avec Visual C++. Le réseau peut avoir une vitesse de communication 100Mbits/s. Laser Ibeo LUX Ethernet connection Figure 2-7: Connexion point à point. II.3.5. L interface graphique IBEO LaserView (Basic ou Premium) Edition L interface graphique (Figure 2-8) est réalisée sur Visual C++ communique avec le laser en passant par le driver Arcnet. Le driver est réalisé sur C. Les commandes envoyées à travers l interface graphique sont converties en pulse électriques via le Ethernet. Figure 2-8: Interface graphique IBEO Laser View Basic Edition. Page: 23

32 II.3.6. Données en provenance de Ibeo LUX : Le télémètre laser Ibeo LUX fournit des données bruitées lors du balayage, chaque angle balayé est converti en point du scan. Donc un balayage de 110 se compose de plusieurs points (scan point). Chaque point de scan se convertit à un point P en cordonnée polaire (d, α, φ) ou cartésien (x, y, z) par rapport au laser. Où: d = distance, α = yaw angle / azimuth angle / horizontal angle, φ = pitch angle / elevation angle / vertical angle. II.4. Le PolaRx2e@: le Récepteur GPS ouvert : II.4.1. Présentation du PolaRx2e@ : La précision, l intégrité, la continuité et la disponibilité des données sont quatre concepts pré requis au bon le développement du véhicule intelligent. Qualifié de GPS ouvert, le PolaRx2e@ (Figure 2-9) est choisi pour être intégré sur la plateforme TRAVEL afin de répondre aux besoins du véhicule intelligent. Introduire un récepteur GNSS «ouvert» permet d intégrer et de fusionner des données de capteurs externes proprioceptifs aux systèmes d équations de positionnement, c est ce qu on appelle le couplage «serré». Le nouvel algorithme permet la géo localisation même au cas où moins de quatre satellites sont visibles. Le problème de masquage est alors surmonté. Figure 2-9: Le PolaRx2e@ II.4.2. Types de connexion et d interfaçage : La connexion PolaRx2e@-Pc peut être réalisée soit via une connexion TCP/IP soit via le port série. Dans le premier cas, l utilisateur doit donner l adresse IP qui correspond au récepteur. Le Polarx2e@ accepte les deux types d adressage fixe et dynamique dans le cas où un serveur DHCP existe. En communication série, l utilisateur doit soigneusement choisir les paramètres de configuration de la connexion : Page: 24

33 Vitesse de transfert (Baud Rate) : Bits de données : 8 Bits de parité : aucun Bits d arrêt : 1 Control du flux : aucun Les propriétés de cette connexion TCP/IP ou série sont enregistrées dans un fichier d extension.tcpip ou.serial. Dans notre cas les autres capteurs étant relier au PC par liaison série, le choix de ce type de liaison a paru évident pour des soucis de synchronisation de temps de mesure, élément important de la fusion de données. Une fois la connexion est établie, le récepteur doit être lié aux trois antennes (une principale et deux auxiliaires) sous une tension d alimentation de12v pour un courant de 2.5A. A la base, le PolaRx2e@ peut être commandé via un gestionnaire de périphériques comme le HyperTerminal ou le WinnCom [6]. II.4.3. Modes de fonctionnement : Le récepteur Polarx2e@ a été conçu de manière à fonctionner sous divers modes : GPS naturel, DGPS, RTK. C est à l utilisateur de choisir la configuration convenant le plus à son application. En mode GPS le récepteur récupère au moins quatre pseudo-distances qui le séparent des satellites correspondants. Connaissant la position des satellites à chaque instant un système de quatre équations à quatre inconnues x, y, z et Δt représentant le délai temporel entre l horloge du satellite et l horloge du récepteur. Ce mode est peu précis, les modèles de correction des erreurs doivent donc être efficaces. Pour obtenir la précision souhaitée en trajectographie, des techniques GPS différentielles (mode DGPS) doivent être mises en œuvre. Le GPS différentiel ou DGPS offre une méthode permettant de réduire la marge d erreur des positions calculées par les récepteurs GPS. Grâce aux récepteurs DGPS, il est possible d obtenir une position précise à l ordre métrique. Des stations de référence éparpillées sur un territoire régional corrigent la plupart des erreurs des signaux GPS et transmettent ces corrections au PolaRx2e@ muni d un récepteur DGPS. Le DGPS offre également le contrôle d intégrité. Lorsque le niveau de précision de la station de référence chute sous certaines limites établies, un signal d avertissement est transmis automatiquement et averti que le service n est plus fiable. En cas de perte du signal différentiel, le récepteur DGPS peut continuer à fonctionner en mode GPS. L importance dans le phénomène de correction est de recevoir la donnée le plus rapide possible, alors d avoir des corrections en vrai temps réel, et plus les corrections sont rapides, plus le récepteur est précis. Le mode RTK est une technique de positionnement par satellite basée sur l'utilisation de mesures de phase des ondes porteuses des signaux émis par le système GPS, GLONASS ou Galileo. Une station de référence, non plus régionale, mais proche à une Page: 25

34 dizaine de mètres du récepteur, fournit des corrections en temps réel permettant d'atteindre une précision de l'ordre du centimètre. L utilisateur a le choix de faire intervenir ou non les corrections reçues des satellites SBAS comme WAAS en Amérique du Nord, ou EGNOS en Europe. Celui-ci, développé par l'union européenne, est un réseau de quarante stations au sol dans toute l Europe, couplé à des satellites géostationnaires, qui améliore la fiabilité et la précision des données du GPS, et corrige certaines erreurs. Certains de ces systèmes sont privés, d'autres sont publics. De tels systèmes ont une couverture limitée (région, pays), et leur précision est variable. L utilisateur peut choisir le mode de fonctionnement soit via un gestionnaire de périphériques par des commandes soit via RxControl. Dans notre application et vu que le CyCab est déjà équipé par un GPS SAGITTA RTK, le choix d un mode de fonctionnement DGPS couplé aux données SBAS s est avéré idéal. Cette fusion est possible vu que le PolaRx2e@ possède 48 canaux physiques, la limite qu il ne faut pas dépasser lors d une configuration. Les données seront comparées à celle d un récepteur RTK extrêmement précis. II.4.4. Configuration en mode multi-antennes : Le PolaRx2e@ peut suivre une ou deux fréquences sur les trois antennes. L atout majeur de cette configuration est à terme de permettre le remplacement ou la redondance des capteurs tels que le gyromètre ou centrale inertielle. Les coordonnées des antennes auxiliaires, dans le repère local du véhicule dont le centre est confondu avec l antenne principale, doivent être données soigneusement sinon il vaut mieux choisir le mode auto. En mode auto, elles doivent être placées une sur l axe x x et l autre sur l axe y y (Figure 2-10). Figure 2-10: Position des antennes. Suite à une étude approfondie et plusieurs essaies, la configuration adoptée est «AttitudeDF + SBAS» cela permettant de récupérer les trois angles d Euler : tangage (heading), lacet (pitch), roulis (roll). Ces trois angles (Figure 2-11) vont être utilisés d une part dans l algorithme développé et d autre part pour la vérification des données inertielles par redondance. Page: 26

35 Figure 2-11: Les angles d Euler. II.4.5. Format de données récupérées : II Fichier SBF : Le «Septentrio Binary Format» (SBF) est le format binaire propriétaire de la société Septentrio. Dans ce format, les données sont disposées en blocs binaires. Les différents blocs sont définis ci-après: blocs de mesure; blocs de message GPS; blocs de messages SBAS; Position, la vitesse et de temps (PVT) blocs; Attitude blocs; blocs d'informations de chronométrage (temps GPS et UTC); blocs de l'état du récepteur L entête de chaque trame est forme de 8 octet dans lequel on peut définir le type de chaque trame reçue. Les 8 octet sont distribuer en : (Figure 2-12) Sync : 2 octet de synchronisation qui représente le code ascii de «$@». CRC : 2 octet permettant de détecter les erreurs de transmission. ID : 2 octet, Représente le numéro de la trame. Lenght : 2 octet,représente la taille de la trame. TOW et WN: 6 octet correspondant au «Time Of Week» et «Week Number» en temps GPS. Figure 2-12: Table de codage. Page: 27

36 Chaque bloc est reconnu par son ID qui fait partie de l entête. Pour récupérer un bloc, il suffit de l introduire comme argument de la commande SBFOutput. Ils seront enregistrés dans un fichier SBF. L algorithme de décodage de tels fichiers est le suivant : Détecter l arrivée d un «$@» Lire les deux octets suivants correspondants au CRC et le sauvegarder pour la verification Lire l ID du bloc(sur deux octets) puis sa longueur en octets (sur deux octets). Récupérer les champs appartenant à ce bloc en respectant la longueur de chaque champ. Convertir en texte le bloc lu. Il est remarquable donc qu il soit nécessaire d avoir un haut niveau de programmation et il faut aussi être conscient de l effet de chaque commande et savoir son effet sur les commandes précédentes. Un effet trigger existe entre les différentes commandes (Par exemple, une fois on précise SetConfigurationChannel, le mode de fonctionnement SBAS ou DGPS est influé). Comme interface graphique, Septentrio a développé un logiciel approprié le RxControl qui sera présenté ultérieurement. Ce logiciel évite à l utilisateur de taper les commandes et savoir les paramètres qu il doit préciser. Mais elle n exclut pas à l utilisateur la possibilité de donner des commandes avancées en incluant le «Expert Console». Le format SBF est le plus compact et renferme le plus d informations. Par contre, d autres formats sont aussi disponibles. Le NMEA, format standard pour les récepteurs GPS et le RINEX est un format standard en MATLAB. La conversion d un format à un autre est possible. Dans notre application, on a récupéré les données en format «SBF». II Repères de référence dans l espace : Les coordonnées GNSS sont renvoyées vers deux types de format, dans le bloc PVTCartesian en ECEF (Earth Centred Earth Fixed) (Figure 2-13) renvoyant donc une position sous format X, Y et Z, et dans PVTGeodetic en coordonnées géodésiques WGS84 (Figure 2-14)sous forme d une latitude, longitude et altitude. Figure 2-13: Repère cartésien. Figure 2-14: Repère géodésiques. Page: 28

37 Le système WGS84 (Système géodésique mondial) est un système de coordonnées géographique, basé sur un géoïde de référence prenant la forme d un ellipsoïde de révolution. C est un système de coordonnées comprenant un modèle ellipsoïdal pour la terre. Il est défini par un ensemble de paramètres primaires et secondaires : les paramètres primaires définissent la forme de l ellipsoïde de la terre, sa vitesse angulaire, et sa masse. Les paramètres secondaires définissent un modèle détaillé de la pesanteur terrestre. Ceux secondaires sont rendus nécessaires par le fait que WGS84 est employé non seulement pour définir des coordonnées, mais aussi pour déterminer les orbites des satellites de navigation GPS. Le modèle 3D, étant dans un autre référentiel, à savoir le Lambert I, il est nécessaire de maitriser les conversions d un type de coordonnées à un autres. L annexe «Repères Géodésiques» détaille les informations indispensables pour la maitrise des données de géo localisation, et dans l annexe «Traitement de données» se trouve le code de conversion entre les repères. II.4.6. Le RxControl : II Présentation du logiciel : Figure 2-15: RxControl Window. Page: 29

38 Le RxControl est une interface graphique développée par Septentrio comme outil de commande du Ce logiciel permettra à l utilisateur de bien surveiller en temps réel les données récupérées et les analyser (figure 2-15). Avec les couleurs, l utilisateur peut distinguer l état de chaque satellite suivi. Septentrio et à travers son propre algorithme, donne à l utilisateur la position du récepteur et sa vitesse et cela dans les deux repères ECEF, WGS84. Ce logiciel donne aussi le temps en temps réel et cela dans plusieurs références de temps aussi : UTC, GPS, Local. Toutes ces données qui sont nécessaires pour le datage existent dans les blocs SBF. Dans notre application, on a eu besoin du temps GPS pour l introduire dans un programme C++ et cela était dans le but de pouvoir synchroniser le PolaRx2e@ qui datait ses blocs en temps GPS alors que les autres capteurs les datent en temps PC. II Modes de visualisation : Le coté le plus intéressant est que le RxControl offre est la possibilité de visualiser en plusieurs modes les campagnes. Dans la suite, on va présenter les plus importants pour l analyse des données. SkyPlot : Ce mode représente les satellites dans l hémisphère topo centrique locale (Figure 2-16). De ce graphique, on peut facilement récupérer l Azimuth sur les rayons et l élévation sur les cercles concentriques. Si un masque d élévation est déjà pris via la commande appropriée ce masque se représente aussi. Dans notre application on a préféré profiter de tous les satellites. Si un masque est déjà défini, le récepteur ne recherche plus les satellites à élévation inferieure. On peut aussi suivre le trajet de chaque satellite. Figure 2-16: SkyPlot. Page: 30

39 Planimetric Plot : Il représente les coordonnées géographiques dans le repère NED (Figure 2-17). Ce sont les valeurs dans ce repère là que «Google Earth» utilise pour détecter une position. Figure 2-17: Planimetric Plot. Attitude Mode : Ce mode est le plus intéressant dans notre application puisqu il permet de voir l évolution des trois angles d Euler et alors estimer le mouvement du CyCab (Figure 2-18). Figure 2-18: Attitude mode. Page: 31

40 Représentation 3D : Figure 2-19: 3D plot. Dans ce mode de représentation, on peut suivre en temps réel le mouvement du véhicule dans le repère ENU (Figure 2-19). Ces schémas aident à surveiller le mouvement du véhicule pendant les campagnes et prévoir si la configuration répond aux besoins de l application. SBAS data : Pour acquérir la précision, la continuité, l intégrité et la disponibilité des données dans l algorithme développé, il est nécessaire d utiliser les données SBAS du récepteur Polarx2e@ et savoir les interpréter (Figure 2-20). La précision d'une position est définie par l'erreur de position enregistrée par l'utilisateur avec une certaine probabilité à n'importe quel moment et endroit dans la région couverte L'intégrité est une mesure de confiance en l'information fournie par le système entier. Elle inclut la capacité d'un système à prévenir l'utilisateur à temps que le système ne peut pas être utilisé pour l'opération voulue. La disponibilité est définie par la probabilité avec laquelle l'utilisateur est capable de déterminer sa position avec la précision et l'intégrité exigées à n'importe quel moment et endroit de la région couverte (PL<AL et PE<AL.) Page: 32

41 La continuité est définie par la probabilité avec laquelle l'utilisateur est capable de déterminer sa position avec la précision et l'intégrité exigées à n'importe quel endroit dans la région couverte pendant un intervalle de temps minimum. Figure 2-20: SBAS Data. PE<PL<AL (1): l'intégrité du système est assurée. Le niveau de protection est supérieur à l'erreur de position et inférieur au niveau d'alerte. PL<PE<AL (2): dans cette situation, on est confronté à un problème d'intégrité: le niveau de protection est inférieur à l'erreur de position (l'utilisateur est malmené, Misleading Information MI). La situation n'est cependant pas critique car il n'y a pas de danger pour l'utilisateur. L'erreur de position est inférieure au niveau d'alerte. PL<AL<PE (3): la situation est dangereuse pour l'utilisateur. Il croit être suffisamment précis pour la phase de vol considérée (PL<AL), mais l'erreur de position dépasse le niveau d'alerte critique pour cette phase (AL<PE). On parle alors de Hazardously Misleading Information HMI. II.5. Le AsteRx3 : le Recepteur GNSS Ouvert/Multi fréquence : II.5.1. Présentation du AsteRx3 : Le AsteRx3 (Figure 2-21) est un récepteur GPS/GLONASS et Galileo de multifréquences multi-constellation pour les applications industrielles exigeantes. AsteRx3 caractéristiques prouvées simultanée qualité GPS, GLONASS et Galileo de suivi et un éventail de fonctionnalités innovantes, telles que le breveté Galileo AltBOC de suivi, l'algorithme avancé d'atténuation des chemins d'accès multiples APME, LOCK + suivi exceptionnelle stabilité dans des conditions de forte vibration, RTK + de longues lignes de base RTK et entrée en vigueur rapide et objectif +, technologie de pointe atteinte d'atténuation de Septentrio, offrant une qualité de niveau cm mesure de positionnement de haute précision, même dans des environnements difficiles. Page: 33

42 Figure 2-21: Le AsteRx3 II.5.2. Caractéristiques principales : 136 canaux de matérielle Multi-fréquence, multi-constellation. Jusqu'à 100 Hz données taux de sortie Multifréquence GPS/GLONASS/Galileo/SBAS/COMPASS-ready OEM éprouvé L1/L2 et L5/E5a/E5b/E5 AltBOC code porteur de suivi BOUSSOLE-prêts Technique de a Posteriori Multipath estimateur (APME) Récepteur autonome surveillance de l'intégrité (RAIM) Compact Office OEM et solutions de logement Comprend le fonctionnement détaillé de GUI intuitif (RxControl) et de manuel d'installation Comme le PolaRx2e@ l AsteRx3 est choisi pour être intégré sur la plateforme TRAVEL afin de répondre aux besoins du véhicule intelligent. Introduire un récepteur GNSS «ouvert et Multi-fréquence» permet d intégrer et de fusionner des données de capteurs externes proprioceptifs aux systèmes d équations de positionnement. II.5.3. Types de connexion et d interfaçage : Comme le PolaRx2e@ La connexion AsteRx3-Pc peut être réalisée soit via une connexion TCP/IP soit via le port série soit port USB. En communication série, l utilisateur doit soigneusement choisir les paramètres de configuration de la connexion : Vitesse de transfert (Baud Rate) : Bits de données : 8 Bits de parité : aucun Bits d arrêt : 1 Control du flux : aucun Les propriétés de cette connexion TCP/IP ou série sont enregistrées dans un fichier d extension.tcpip ou.serial. Dans notre cas les autres capteurs étant relier au PC par liaison série, le choix de ce type de liaison a paru évident pour des soucis de synchronisation de temps de mesure, élément important de la fusion de données. Page: 34

43 II.5.4. Le RxControl de "AsteRx3" : Le RxControl de AsteRx3 est une interface graphique développée par Septentrio comme celle de PolaRx2e@. Ce logiciel permettra en plus de récupère, visualiser et analyser les données des systèmes GPS/GLONASS/Galileo/SBAS l utilisateur de bien surveiller en temps réel (figure 2-22) [7]. Figure 2-22: RxControl de "AsteRx3". II.6. Capteurs embarqués au bord du CyCab : Le CyCab dispose de différents capteurs pour permettre sa localisation, il peut se déplacer grâce à ces capteurs situés à bord du véhicule. Un PC embarqué enregistre et gère toutes les informations des capteurs et des actionneurs du CyCab en temps réel. Sa double architecture matérielle et logicielle lui permet de rendre portable toute implémentation écrite en C++, à condition que la machine dédiée au test ait les mêmes caractéristiques (CPU, noyau linux). Différents capteurs sont déjà intégrés sur le CyCab, la plateforme TRAVEL évolue peu à peu, et cela au cours de différents projets et thèses : Centrale Inertielle GPS SAGITTA 02 ; Gyro optique DSP3000 ; Page: 35

44 Télémètre SICK LMS 291 ; Caméra Vidéo AVT Marlin -046C II.6.1. SAGITTA 02 : Le SAGITTA 02 est un récepteur GPS fermé qu on utilise pour récupérer les différentes trames utiles NMEA (GGA, GST, VTG). Le driver a été déjà développé par Dr. Maan El Badaoui El Najjar au cours de sa thèse. Le récepteur Sagitta de Thales est destiné aux travaux pour lesquels la précision a beaucoup d importance. Il fournit une précision en temps réel qui varie du mètre au centimètre, selon le mode opérationnel Sélectionné: WAAS / EGNOS, DGPS, EDGPS, KART ou LRK. La LRK est une nouvelle méthode de correction qui conserve l erreur de correction à l ordre de centimètre même si la station fixe est loin de 40 km de l autre mobile. Elle contient un système de communication temps réel puissant qui a une double fréquence GPS. Ce système a une cadence de 10 Hz pour les données brutes et 20 Hz pour les données calculées. Les équipements du système LRK Sagitta 02 sont les suivants : la station mobile, la station fixe (qui diffuse les corrections vers la station mobile), l émetteur / récepteur radio UHF, et l écran / clavier (TRM 100) et des antennes pour le GPS et le UHF (Figure 2-23). Avec l'option LRK utilisée, on obtient un positionnement centimétrique rapide en temps Réel et une couverture radio jusqu à 40 km. Grâce à l extrême fiabilité du LRK, le système LRK a besoin d un temps nettement plus petit pour fournir un positionnement avec un démarrage à froid par rapport à un système RTK conventionnel. Figure 2-23: Les équipements du SAGITTA. Les "coordonnées GPS" renvoyées par ce récepteur GPS sont la latitude, la longitude et l altitude dans le système WGS84. Les données sont ensuite transformées de système WGS 84 en Lambert1. Page: 36

45 II.6.2. Télémètre laser SICK LMS 291 : Figure 2-24: Le SICK LMS 291. Le principe de fonctionnement est le même que le télémètre multi nappes sauf qu il ne possède qu une LED émettrice (Figure 2-24). Grâce à un miroir intégré à l intérieur d un télémètre, il est capable de faire un balayage suivant plusieurs angles de vue allant de à (Figure 2-25) avec un pas de 1 0, ou Figure 2-25: Zones de balayage du télémètre. Le driver de ce télémètre a été développé par l ingénieur Abdallah DEEB, il donne un fichier contenant la distance détectée par le télémètre à chaque angle de vue, bien datée dans la même base de temps que celle des trames GPS (horloge du PC en µs) et bien par conséquent celle des images réelles. II.6.3. GyroScope optique KVH : Figure 2-26: Gyro DSP 3000 Le gyroscope laser utilise les propriétés de la lumière cohérente pour effectuer une mesure de la rotation absolue de son boitier, Il est doté d un rappel élastique (ressort ou moteur couple) et d un amortissement visqueux autour de son axe de sortie. Page: 37

46 Notre capteur Gyro est le DSP-3000 asynchrone 100Hz (Figure 2-26) fabriqué par KVH, il fonctionne dans trois modes différents selon le choix de l utilisateur : Il peut être un capteur de vitesse angulaire, l intégration de la mesure de vitesse de rotation permet d obtenir une estimation de l angle de cap d un véhicule. Il peut donner l angle incrémenté entre deux instants successifs. Il peut fournir une estimation en temps réel de la position (x, y) et du cap θ d un véhicule navigant sur un sol plan, par rapport au repère de référence qui était celui du véhicule dans sa configuration initiale. Le Gyro fonctionne en mode asynchrone sous la fréquence 100Hz et un débit de bits/s. Le driver de ce Gyro a été déjà développé par Eng. Mouhammad Taleb. Donc finalement on a un véhicule intelligent suréquipé pour une navigation autonome! (Figure 2-27) Figure 2-27: véhicule intelligent (RobuCar). Page: 38

47 II.7. Le modèle 3D : une source d information riche et prometteuse II.7.1. Présentation : Figure 2.28: Modèle 3D. La représentation urbaine a toujours été un instrument de connaissance et de pouvoir. Il y a quelques siècles, cette volonté de simuler au mieux la ville, s exprimait avec l introduction de la troisième dimension grâce aux dessins en perspective mais également avec la réalisation de plans en relief. En plus des cartes en deux dimensions, qui sont communément associées avec un système d information géographique (SIG), de plus en plus d applications requièrent des modèles 3D des bâtiments, des villes, des paysages. Ces modèles sont générés automatiquement à partir d images aériennes, de plans cadastraux, de données télémétriques, de base de données topographique et ortho-photographique... Au travers de multiples applications de ce type, le développement des modèles 3D géographiques (Figure 2-28) texturés (aussi appelé modèle virtuel 3D de villes, dans la littérature) est alors en plein essor. [8]. En plus des cartes en deux dimensions, qui sont communément associées avec un système d information géographique (SIG), de plus en plus d applications requièrent des modèles 3D des bâtiments, des villes, des paysages. Ces modèles sont générés automatiquement à partir d images aériennes, de plans cadastraux, de données télémétriques, de base de données topographique et ortho-photographique... De tels modèles de l environnement permettent une meilleure compréhension des relations spatiales et sont par conséquent idéaux à des fins de démonstrations ou de présentations. Le développement des modèles 3D géographiques texturés (aussi appelé modèle virtuel 3D de villes, dans la littérature) est alors en plein essor. Par exemple, toutes les grandes villes japonaises sont modélisées en trois dimensions depuis 2002 et sont mises à jour tous les 6 mois. Par ailleurs le projet Bati3D de l IGN (Institut Géographique National) a pour objectif de développer des maquettes numériques urbaines 3D de certaines grandes villes françaises. Page: 39

48 II.7.2. Utilité du modele 3D dans la recherche : L attrait incontestable pour les modèles virtuels 3D urbains nous amène à proposer une utilisation possible de ceux-ci dans le domaine de l automobile et des transports : la détection et la géo-localisation d obstacle. Le modèle 3D géo-référencé utilisé est un produit de la société Tecnomade ( et a une précision métrique selon le constructeur. Il cartographie le LORIA à Nancy. Afin de manipuler en temps-réel la base de données du modèle 3D géo-référencé, un système d information géographique trois dimensions (SIG-3D) est requis. Un SIG est un système informatique capable d intégrer, d enregistrer, d éditer, d analyser, de partager et d afficher des informations géo-référencées. Un SIG-3D adapté à nos applications en robotique et véhicule intelligent a été développé. Une première fonction du SIG-3D est de naviguer dans le modèle 3D [9]. Le modèle 3D est utilisé pour la validation des données brutes récupérées des divers capteurs intégrés sur la plateforme TRAVEL. A chaque capteur intégré correspond un autre virtuel dans le modèle 3D. Page: 40

49 Chapitre III Plateforme d acquisition et Traitement des données multi-capteurs Page: 41

50 Chapitre III Plateforme d acquisition et de Traitement des données multicapteurs III.1. Introduction et problématique : Le but principal de ce projet est d établir une architecture garantissant la synchronisation et le datage des données en temps pc de l ordinateur des différents capteurs (capteurs à fréquence différentes) qui sont le GPS Ouvert/Multi-fréquence, le GPS RTK, le Télémètre laser, le Gyromètre et l`odomètre (Figure 3.1). Et l extraction d une base de données de validation des algorithmes développés par l équipe STF. Il a fallu étudier tous les capteurs à intégrer et les configurer convenablement. Après s être familiarisé avec les récepteurs (PolaRx2e@, AsteRx3 et le Télémètre Ibeo) et après avoir bien étudié les configurations possibles et les types de trames reçues par chaque récepteur, une configuration adéquate est choisie, permettant la réception de toutes les données nécessaires au développement de l algorithme. Suite à cette campagne d acquisition, une nouvelle base de données riche de différents capteurs a été créée. Le problème est que les sources de données de différents capteurs soit Capteurs proprioceptifs (Odométrie, gyrométrie, Télémètre) soit Capteurs de positionnement (GPS centimétrique SagitaThales, GPS PolarX2e@ et AsteRx3) ont plusieurs fréquences comme dans le cas des capteurs GPS comme les donnes éphémérides qu on ne peut pas prévoir la date de réception. Alors 2 solutions ont été proposées l une est «Hardware» et l autre «Software». Figure 3.1: Fusion de données. Page: 42

51 III.2. Solution proposé : III.2.1 Solution materiel «hardware» : Pour l acquisition et le datage des données GNSS, la méthode utilisée jusqu à mon arrivé au sein de l équipe à récupérer du récepteur le temps du lancement de l acquisition et de la synchroniser avec le temps GPS. Un programme en C permet récupérer le temps PC courant et enregistre les deux temps dans un fichier texte (Figure 3.2). Ce programme ne peut dater correctement et d une façon précise les données GNSS et de pourvoir les synchroniser avec des mesures d autres capteurs. Figure 3.2: Sortie du programme. Une première réflexion a été orientée vers une solution matériel (hardware) en se basant sur un signal «trigger» générer par le récepteur lui-même. Le PolaRx2e@ émet un signal xpps (pulse per second, x= 1, 2, 5 ou 10 C est un signal d impulsions électriques d amplitude 3.3V de courte durée (34.1μs) synchronisé avec le temps GPS (via son horloge atomique). Ce signal peut être relié à un broche port USB et développer un programme qui lit l état de cette broche et l enregistre dans une mémoire commune, les autres processus attendent que la mémoire commune soit à 1. Figure 3-3: Le signal xpps. III Faisabilité de la Solution hardware : Une première difficulté que j ai rencontré concerne l étude de la faisabilité de l utilisation d un port USB pour récupérer le signal PPS fourni par le récepteur GNSS. Ce signal qui pourra servir pour synchroniser des données de différents capteurs comme mentionné précedemment. Cette methode ne permet pas de dater les données, mais juste de les synchroniser. En plus, elle nécessite l intégration de composantes extérieures à la plateforme d acquisition qu on ne maitrise pas nécessairement le retard qu elle pourrait induire sur le datage des mesures. Page: 43

52 III Solution adoptée : Après la décision de l abondon de la solution hardware. Une réflexion a été effectué. Nous avons mis en place une solution plutôt logicielle. L idée est de développer un programme «pilote» qui permet d acquérir les mesures du récepteur GNSS, et de les dater, les synchroniser et les stocker dans un fichier.sbf (septentrio binary file). L idée phare de cette méthode est la manipulation du format sbf et RINEX avec les fonctionnalités mise à disposition du constructeur afin de dater et synchronier les trames. Par la suite, des traitements sur les données seront effectués en temps différés. III.2.2. Solution logiciel «Software» : Ayant retenue la solution logicielle par rapport à la solution matériel, un logiciel a été développé par mes soins. Ce logiciel permet d acquérir les mesures GNSS, les dater, les synchroniser et les stocker dans des fichiers bien dédiés. (II Fichier SBF, page : 28). III Datage des trames recus par les capteurs de Septentrio via le port RS232 : La détection d une nouvelle trame s effectue grâce aux 16 bits de synchronisation $@ correspondant en hexadécimal à Viennent ensuite deux octets de «checksum» (CRC) garantissant l intégrité de la trame. Ensuite l ID codé sur deux octets va nous permettre d identifier le bloc de données contenu dans la trame. Dans un premier temps, l idée est de se focaliser sur les octets 9 à 14 correspondant au Time Of Week(TOW) et Week Number(WNc) en temps GPS et de les remplacer par les TOW et WN correspondant au temps PC, et changer le (CRC) après le recalculer d une manière pour qu il soit compatible avec les changements, et enregistre tous les données restante comme elle sont dans un fichier binaire d extension.sbf. Le format de données adopté est le SBF, les données seront récupérées en blocs binaires à décoder. Les données nécessaires se trouvent dans des blocs à choisir soigneusement via la commande SBFOutput, cette tâche est relativement rapide. Entête de la trame Changement de Temps GPS au temps PC $@ CRC ID Long TOW WNc Data 16 bits 16 bits 16 bits 16 bits 32 bits 16 bits Figure 3.4 : Principe de datage des Trames de données. Page: 44

53 III Architecture de la plateforme d acquisition : L architecture de la plateforme d acquisition (Figure 3-5) garantissant la synchronisation et le datage des données des différents capteurs (capteurs à fréquence différentes) qui sont le GPS ouvert, le GPS RTK le gyromètre et l`odomètre. Figure 3.1 : Architecture de synchronisation des données. Page: 45

54 III.3. Les pilotes développées : III.3.1. Les pilotes PolaRx2e@ et AsteRx3 : Les pilotes développé pour PolaRx2@ et AsteRx3 lits les trames des donnes en binaire format SBF qui est un format propriétaire de Septentrio, et les afficher suivant chaque trame reçu avec le temps pc correspondant avec précision de l ordre de milliseconde. Figure 3.6a : Le pilote PolaRx2e@. Figure 3.6b : Le pilote AsteRx3. Après la conversion plusieurs fichiers sont généres avec comme extension (.sbf,.rinex,.kml et.log) catégoriser suivant deux dossiers l un qui contient les fichiers.rinex et l autre contient les fichiers.sbf. Le dossier SBF contient les fichiers SBF (Temps PC) et SBF (Temps GPS), les fichiers sont datées l un en temps de l ordinateur et l autre comme reçus en temps GPS. Le dossier RINEX contient les fichiers RINEX (observation) et RINEX (navigation), ces fichiers sont constitués d un entête tout aussi important que les données propres. Pour un détail et exemples sur la constitution de ces fichiers, l annexe A «Structure des fichiers RINEX» est disponible. Le format RINEX, format d échange indépendant du récepteur, a été développé par l Institut d astronomie de l Université de Berne dans le but de fournir dans un même format les données collectées en format propriétaire par des récepteurs de marques différentes. Ce format est généralement supporté par les récepteurs professionnels. Il est également utilisé par les serveurs IGS pour fournir les données GNSS. Dans ce format les données GNSS sont délivrées sous forme de fichier texte. Page: 46

55 Le format RINEX se divise en plusieurs types de fichiers : le fichier de navigation : contenant les données éphémérides permettant le calcul de position des satellites, et les données ionosphériques nécessaires au modèle de correction du type «modèle de Klobuchar». le fichier observation : contenant les informations comme les pseudodistances de code et de phase sur les diverses fréquences et combinaisons de fréquences. Le fichier.log qui contient tous les évènements et les commandes envoyées durant l acquisition des trames de données. Le fichier.kml pour dessiner la trajectoire de la compagne d acquisition à partir de Google Earth. KML est un langage basé sur le formalisme XML et destiné à la gestion de l'affichage de données géo spatiales dans les logiciels Google Earth, Google Maps Le résultat est très conforme à la réalité (Figure 3-7). Le modèle 3D, étant dans un autre référentiel, à savoir le Lambert I, et le Google Earth étant dans le référentiel NED, il est nécessaire pour maitriser les conversions d un type de coordonnées à un autre Page: 47

56 Figure 3-7: plusieurs trajectoires réalisées sur le terrain d essai aux alentours du Parking de Polytech Lille avec un plot sur Google Earth. III.3.2. Le pilote de Télémètre laser Ibeo LUX : Le pilote est réalisée en console application avec Visual Studio 2005 C++ (Figure 3-8a). Elle permet d établir la connexion avec le laser Ibeo LUX, enregistrer les données datées dans un fichier texte (Figure 3-8b) selon le format convenable soit en coordonnée cartésien (x : y : z) au modèle 3D. Il permet aussi la lecture des fichiers textes déjà enregistrés. Les fonctions utilisées sont fournies par la librairie (API) Après être lancé, le pilote affiche tous les points détectant et les enregistre dans un fichier texte pour les traiter. Les données du télémètre laser, (dans ce cas un laser télémétrique quatre nappes a été utilisé) sont présentées ci-après. Elles sont enregistrées de cette manière : Page: 48

57 Figure 3-8a: Fenêtre de pilote Ibeo. Figure 3-8b: les données d Ibeo en cartésienne. En fait, le Télémètre Ibeo laser balaie l espace et fournit la distance qui le sépare des obstacles à un instant donné. Avec ces distances récupérées par un driver déjà développé au cours d un projet, il est possible de tracer à un moment donné le profil télémétrique de la scène (Figure 3-9). Figure 3-9: Profil des télémètres réel (Google Earth) et virtuel (en matlab). Page: 49

58 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES L'initiative «véhicule intelligent» de la Commission européenne est destinée à promouvoir l'utilisation de nouvelles technologies afin de rendre les voitures plus sûres, plus propres et plus performantes. Elle vise à apporter une réponse aux problèmes de société liés aux transports routiers, essentiellement en matière d'accidents et de congestion du trafic. L'utilisation accrue des transports routiers entraîne des problèmes préoccupants: encombrement des réseaux routiers et des zones urbaines, effets nocifs sur l'environnement et la santé publique, gaspillage d'énergie et, surtout, dommages corporels et matériels et accidents mortels. L'initiative «véhicule intelligent» se propose d'aider à résoudre ces problèmes de circulation routière. L'utilisation des technologies de l'information et de la communication (TIC) dans l'élaboration de voitures intelligentes peut contribuer à: améliorer la sécurité routière. rendre les systèmes de transport plus efficaces. rationaliser l'utilisation du carburant. aider le conducteur à prévenir ou éviter les accidents. fournir au conducteur des informations en temps réel sur le réseau routier pour éviter les embouteillages. permettre à l'automobiliste d'optimiser un trajet. L application du couplage serré dans le développement de la conception du véhicule intelligent ouvre les perspectives aux villes de demain, ces villes ou les routes seront automatisées, le véhicule sera capable d analyser et de prendre des décisions, le véhicule intelligent sera capable de communiquer. La notion du véhicule intelligent a rendu l intégration du récepteur GNSS ouvert nécessaire. Durant ce stage, les missions prévues sont accomplies. Quand bien même, les efforts pénibles qu impose la réalisation d une campagne d acquisition mettent en évidence la nécessité de développer la plateforme TRAVEL et remplacer les communications qui se font via le port série par des communications via l internet. Cela va permettre de réaliser plus facilement et fréquemment les campagnes d acquisition. Le développement des pilotes qui récupère les blocs via le port série RS232 et les date instantanément selon le temps PC rendra l application temps réel, ce qui est avantageux dans le domaine de la recherche. Dater les données brutes suivant le temps GPS est très intéressant du fait que l horloge atomique des satellites (à base du Césium) est très précise alors que l horloge du PC (Quartz) dévie faiblement L intégration du Télémètre Ibeo laser à 16 nappes va permettre d affronter les limitations de celui à une seule nappe. La réalisation d un télémètre virtuel semblable se voit très nécessaire. Page: 50

59 La configuration des capteurs mis en place garantira à terme la disponibilité, la continuité et l intégrité du service de positionnement. Cet aspect est essentiel pour le développement de véhicules intelligents autonomes. Un filtrage des données par filtre particulaire ou filtre de Kalman permettra de diminuer sensiblement le risque d erreur. Il est aussi indispensable, pour garantir l intégrité du système, de développer une méthode de fusion de données robuste permettant le diagnostic des erreurs et la reconfigurable du système mais aussi de cette même méthode de fusion. Page: 51

60 Annexe A Définition des formats RINEX et exemples Page: 52

61 ANNEXE A - Définition des formats RINEX et exemples A.1. GNSS Observation Data File - Header Section Description Page: 53

62 Page: 54

63 Page: 55

64 A.2. GNSS Observation Data File Data Record Description Page: 56

65 Page: 57

66 A.3. GNSS Observation Data File Exemple Page: 58

67 A.4. GNSS Navigation Message File Header Section Description Page: 59

68 A.5. GNSS Navigation Message File GPS Data Record Description Page: 60

69 A.6. GPS Navigation Message File Exemple A.7. GNSS Navigation Message File GALILEO Data Record Description Page: 61

70 Page: 62

71 A.8. GALILEO Navigation Message File Exemple A.9. GNSS Navigation Message File GLONASS Data Record Description A.10. GNSS Navigation Message File Exemple :Mixed GPS / GLONASS Page: 63

72 A.11. GNSS Navigation Message File SBAS Data Record Description Page: 64

73 A.12. GNSS Navigation Message File Exemple A.13. Meteorological Data File Header Section Description Page: 65

74 A.14. Meteorological Data File Data Record Description Page: 66

75 A.15. Meteorological Data File - Exemple Page: 67

76 GNSS Annexe B Page: 68

77 ANNEXE B GNSS La littérature fait souvent référence, et à tort, au GPS pour parler de ses systèmes de navigation. Or ces deux dernières décennies ont été riches dans le développement de solutions. Il convient donc d utiliser le terme de GNSS pour Global Navigation Satellite System. Actuellement plusieurs systèmes globaux de navigations par satellites coexistent : B.1. GPS : Le GPS développé par le «Department of Defense» (DoD) des Etats-Unis. Le premier satellite GPS a été lancé en Le système actuel est composé de la seconde génération de satellites, appelés Block IIR. Le département de la défense a déclaré le système GPS totalement opérationnel en Le 2 mai 2000, le gouvernement américain suspend l accès sélectif (SA for Selective Availability) permettant les dégradations déterministes du système. Dès lors la précision augmente considérablement, rendant les applications civiles possibles. B.2. GLONASS Le programme GLONASS est né dans les années 1980, durant la Guerre froide, il est la réponse soviétique au programme américain. Le 24 septembre 1995, les 24 satellites de la constellation GLONASS sont placés en orbite, répartis sur trois plans orbitaux à une altitude de kilomètres. Les derniers satellites sont opérationnels à partir de janvier B.3. GALILEO Entre ce duel spatial de militaires, l Europe a mis en place un programme totalement civil, compatible au GPS et à GLONASS. Il s agit du programme GALILEO. Fruit de la collaboration entre l union Européenne et l Agence spatiale Européenne, ce programme tout récent dans sa mise en place (les satellites Giove-A, Giove-B, n ayant été lancés qu en 2005 et 2008) cherche à atteindre un niveau de service non égalé. Lorsque GLONASS et GPS émettent leurs signaux sur deux fréquences, Galileo prévoit d émettre des signaux sur trois fréquences différentes. Ainsi, Galileo permettra de répondre à six services différents, dont des services d aide et de sécurité de la personne. B.4. COMPASS Enfin, la Chine, et son développement spectaculaire, ne pouvait rester en marge de ce mouvement. Ainsi en 2010, cette dernière a littéralement surpris le milieu de la géolocalisation en annonçant l opérabilité de son système BEIDOU ou encore appelé, Compass Navigation Satellite System. En parallèle, la Chine fait partie intégrante du développement de Galileo. Elle y contribue à hauteur de 200 millions d euros. B.5. EGNOS, WAAS D autres systèmes, utilisés pour des contraintes d intégrités notamment, ont été développés : tels que le WAAS et EGNOS. Ils font partis de la catégorie des SBAS/GBAS (Satellite/Based Ground Augmentation System) souvent composés de satellites géostationnaires et de centrales terrestres de calculs. Page: 69

78 Repères Géodésiques Annexe C Page: 70

79 ANNEXE C - Repères Géodésiques C.1. Géodésie La géodésie est une science qui étudie la forme et les dimensions de la terre, soit par sa forme géométrique (géodésie géométrique), soit par l étude de son champ de pesanteur (géodésie dynamique). La géodésie intervient en amont des travaux de cartographie, télédétection, génie civil, navigation terrestre ou spatiale, elle permet d assurer le positionnement des bases de données géographiques nécessaires aux Systèmes d Information Géographique (SIG). Les différents systèmes géodésiques existants diffèrent par l ellipsoïde de révolution, le centre du repère et la nature des coordonnées (cartésiennes ou géodiques). Figure B-1: Différents ellipsoïdes C.2. Le système WGS84 (World Geodetic System 1984) Ce système a été mis au point par le département de la défense des États-Unis à partir de coordonnées de points par observations Doppler sur satellites et défini à partir d'un ensemble de données : constantes fondamentales, développement du champ en harmoniques sphériques, etc. WGS84 a été déduit de la première réalisation WGS72 par une transformation à 7 paramètres. Il est utilisé pour exprimer les éphémérides radiodiffusées du GPS [10]. Il est défini par un ensemble de paramètres primaires et secondaires : Les paramètres primaires définissent la forme de l ellipsoïde de la terre, sa vitesse angulaire, et sa masse ; Les paramètres secondaires définissent un modèle détaillé de la pesanteur terrestre. Ces paramètres secondaires sont rendus nécessaires par le fait que ce système est employé non seulement pour définir des coordonnées, mais aussi pour déterminer les orbites des satellites de navigation GPS. Page: 71

80 Figure B-2: WGS 84. Ce système n étant pas calé sur la plaque eurasienne, la dérive des continents faits qu il ne peut être utilisé pour des précisions meilleures que le mètre (déplacement de la plaque de 0,95cm par an). Pour cette raison, le système légal d expression des coordonnées géographiques en France est le système RGF93. Les valeurs des paramètres de l'ellipsoïde de révolution IAG GRS 80, associé au système WGS84 sont les suivantes : Par définition : Demi grand axe = a == ,0 m Aplatissement = f = 1/298, Par calcul : Demi petit axe = b , m Première excentricité e 0, Circonférence équatoriale = 2.π.a = ,017 km (2.π.b=39 940,652 km) f (pour flattening) = aplatissement Première excentricité = Deuxième excentricité = C.3. Est local, du nord, vers le haut (ENU, East, North, Up) Les coordonnées locales d'enu sont formées d'une tangente plate au fixe extérieur de la terre à un endroit spécifique et par conséquent on le connaît parfois en tant que «une tangente locale» ou «avion géodésique» local. Par convention l'axe est marqué X, le nord y et le haut z. Page: 72

81 C.4. Nord local, est, vers le bas (NED, North, East, Down) Nord-Est vers le bas (NED) est également connu sous le nom plan tangent local (LTP local tangent plane). Il s'agit d'un système de coordonnées géographiques pour la représentation des vecteurs d'état qui est couramment utilisé dans l'aviation. Il se compose de trois nombres, on représente la position selon 3 axe le long de l'axe nord, l'un suivant l'axe de l'est, et l'un représente la position verticale. Down est choisi par opposition de la règle de droite. C.5. Earth Centred Earth Fixed (ECEF) ECEF est un système de coordonnées qui tourne avec la Terre et a son origine au centre de la Terre. L'axe des X traverse l'équateur au méridien d'origine. L'axe Z passe par le pôle nord. L'axe des Y peut être déterminé par la règle de droite avec une longitude de 90 au passage par l'équateur. Figure B-3: ENU et ECEF. C.6. Les systèmes de coordonnées français : Les systèmes français géodésiques se basent sur le principe de projection locale. Il existe deux types de projection C.6.1. Projection cylindrique La surface de projection est un cylindre tangent ou sécant au modèle de la Terre. Figure B-4: représentations cylindriques directe, oblique et transverse Page: 73

82 C.6.2. Projection conique La surface de projection est un cône tangent ou sécant. (Exemple : Lambert, Lambert93,...) Figure B-5: Représentations coniques directe tangente et directe sécante C.6.3. Lambert : Projection associée au système géodésique NTF La projection réglementaire en France est une conique conforme et tangente de Lambert (ellipsoïde de Clarke 1880 IGN). Dans le but de minimiser les déformations (altérations linéaires), la France a été découpée en 4 zones. Une projection appelée "Lambert II étendu" couvre la France entière pour des besoins d'amplitude nationale. La longitude origine est toujours le méridien de Paris. La latitude origine est 49 30', 46 48', 44 06', 42 09'54" et 46 48' respectivement pour les projections Lambert I, II, III, IV et II étendue. Chaque projection à une zone d'application. Figure B-6: Les différentes zones Lambert de la France C.6.3. Lambert-93 : Projection associée au système géodésique RGF93 Une projection conique conforme sécante de Lambert appelée "Lambert-93" a été retenue en septembre 1996 pour une utilisation cartographique du nouveau système géodésique français RGF93 (Ellipsoïde associé = IAG GRS80, celui de WGS84). Elle n'apparaît pas encore reportée sur les cartes topographiques. Page: 74

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