Architecture informatique des systèmes GPS de navigation automobile SOME Yir Bê Hôré Médard

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1 Projet personnel Géomati ique Architecture informatique des systèmes GPS de navigation automobile Période : févrierr 2011 SOME Yir Bê Hôré Médard Année

2 SOMMAIRE Liste des figures 3 Introduction 4 I. GENERALITES SUR LES SYSTEMES GPS DE NAVIGATION AUTOMOBILE 5 I.1 Concepts et fonctionnement du système GPS 5 I.2 Spécifications des systèmes GPS de navigation automobile 6 II.1 Les composants matériels (fig. 3. ) 9 II.2 Les composants logiciels 10 II.3 Intégration des différents composants 11 III.1 Les limites des systèmes GPS de navigation automobile 13 III.2 Les limites liées à l architecture informatique de base 13 III.3 Les solutions aux limites liées à l architecture informatique 14 Conclusion 15 BIBLIOGRAPHIE 16 2

3 LISTE DES FIGURES Fig. 1. Architecture d un système embarqué... 8 Fig. 2. Architecture globale d un bloc de calcul de système GPS de navigation... 9 Fig. 3. Composants matériels du système GPS de navigation automobile Fig. 4. Composants logiciels du système GPS de navigation automobile Fig. 5. Intégration des Composants

4 INTRODUCTION Le domaine de l automobile a connu un changement dans les usages ces dernières années avec la vulgarisation des systèmes GPS 1 de navigation automobile. Déjà très répandus au Japon, ils ont atteints en 2007 le chiffre de 14,4 Millions pour les ventes des GPS portables [1] en Europe de l Ouest. Ces systèmes utilisent la technologie GPS pour suivre et guider la position d un véhicule automobile sur une carte électronique. Si de nombreuses recherches ont permis d affiner les précisions dans le positionnement par diverses techniques, il reste que pour le grand public, avec du matériel «d entrée de gamme» 2, des soucis peuvent exister. Quelle est l architecture informatique de base des systèmes de navigation automobile? Quelles en sont les extensions possibles et comment peut on apprécier leur fiabilité? Dans ce document, nous présenterons ces systèmes nouveaux, nous analyserons leurs équipements informatiques et systèmes logiciels, et montrerons leur impact sur la fiabilité des systèmes de navigation automobiles. 1 Global Positioning System (GPS) ou «système de positionnement mondial» 2 Les récepteur GPS «entrée de gamme» sont relativement moins précis dans les calculs 4

5 I. GENERALITES SUR LES SYSTEMES GPS DE NAVIGATION AUTOMOBILE La navigation automobile est certainement le secteur dans le quel se manifeste le plus le succès du système GPS. Avant d aborder cette application du GPS, penchons nous sur le fonctionnement du système GPS. I.1- Concepts et fonctionnement du système GPS Le GPS (Global Positionning System) est un système de radio-positionnement par satellite [2] opérationnel depuis IL a pour but de donner en tout lieu et en tout instant une position et une vitesse dans un référentiel mondial (WGS84 3 ). Pour ce faire, le système se compose de trois parties : - le secteur spatial : constitué d une constellation de 29 satellites (31 en 2010), évoluant sur six (06) plans arbitraux à une altitude de à km [3] ; - le secteur de contrôle : constitué de 05 stations, il a pour but d assurer le bon fonctionnement du système à travers le contrôle, les corrections et mises à jour des trajectoires et des heures des différents satellites ; - le secteur utilisateur : constitué des utilisateurs finaux du système ; il s agit précisément de récepteurs permettant de capter, décoder et traiter les signaux électromagnétiques provenant des satellites. Les récepteurs GPS sont passifs ; ils captent en permanence les messages diffusés par les satellites du secteur spatial. Ces messages comprennent : - l heure de transmission du message ; - les éphémérides comprenant les paramètres orbitaux de tous les satellites ; - l état de fonctionnement des satellites. Ainsi, connaissant la vitesse de transmission des ondes électromagnétiques 4, chaque récepteur peut calculer la distance qui le sépare du satellite ayant diffusé les informations. Et, en combinant les données calculées, et la position de quatre satellites au moins, le récepteur à travers un système de quatre équations à quatre inconnues, arrive à déterminer sa position géographique (latitude, longitude et altitude). La visibilité de trois satellites suffit pour un positionnement n incluant pas l altitude. 3 World Geodetic System 1984 (WGS84), système géodésique associé au GPS et qui s est rapidement imposé comme référence en cartographie. 4 C est la vitesse de la lumière : m/s 5

6 Conçu initialement pour des usages militaires, le système GPS est utilisé dans de nombreux domaines civils dont la navigation automobile. Quelles sont les spécifications générales des systèmes GPS de navigation automobile. I.2- Spécifications des systèmes GPS de navigation automobile La navigation est l art et la science du déplacement d un lieu à un autre [4]. Le système GPS, permettant le positionnement, peut être utilisé en navigation pour la détermination de la route (chemin) entre les 2 lieux, puis au respect de ce trajet jusqu à destination. Ce type d utilisation se fait aussi bien dans les domaines aérien, naval que dans le transport automobile. Les systèmes GPS de navigation utilisés dans les automobiles sont constitués par un support matériel (calculateur) piloté par des logiciels spécifiques. Le bloc récepteur peut être de différentes formes. On distingue généralement : - les récepteurs GPS embarqués : intégrés dans des automobiles «haut de gamme» de constructeurs comme BMW, TOYOTA Leur point faible, relativement aux autres types réside dans la difficulté de mise à jour des données. - les récepteurs GPS portables: ils sont les plus utilisés. Ils peuvent être déportés facilement d une automobile à une autre. En fonction des constructeurs (Tom-tom, Garmin et Navman) ils sont plus ou moins faciles à mettre à jour. - les récepteurs GPS PDA : en pleine croissance à cause des nombreuses fonctions optionnels qu ils offrent. Qu ils soient portables ou intégrés, les systèmes GPS de navigation comportent un certain nombre de fonctionnalités de base que sont : - Donner la position (latitude, longitude) à tout instant et en tout moment ; - Donner la vitesse de déplacement en tout instant ; - Calculer le plus court chemin entre 2 points ; - Calculer le temps de parcours ; - Suivre le parcours entre 2 points ; - Guider la conduite. En fonction des constructeurs et des prix, les fonctions optionnelles sont ajoutées pour faciliter la tache au conducteur. Ces options vont de l utilisateur de capteurs, à l usage de la voix. Les fonctions optionnels sont entres autres : - la reconnaissance vocale ; - la réalité augmentée ; - les capteurs de vitesses ; - les capteurs de directions ; - la détection des encombrements de voie. 6

7 Ces ensembles de spécifications ont permis à de nombreux constructeurs de proposer des architectures diverses, adaptées à des besoins exprimés. Au compte de ces architectures, on retient globalement, que les systèmes GPS de navigation automobile se composent d un bloc intégré de calculateur couplé à un récepteur GPS, le tout piloté par des logiciels spécialisés. 7

8 II. ARCHITECTURE DES SYSTEMES GPS DE NAVIGATION AUTOMOBILE Pour satisfaire aux précédentes spécifications de base d un système GPS de navigation automobile, 3 éléments de base sont requis. Ce sont : un récepteur GPS (pouvant avoir diverses formes), un programme informatique de navigation, et enfin un support matériel (mémoire, stockage, affichage). Cet ensemble constitue alors un système embarqué ayant pour but de calculer la position et interagir avec l utilisateur. Définition de système embarqué «Un système embarqué (ou enfoui dans le dispositif qu il contrôle, surveille, observe) est un système autonome à microprocesseur (microcontrôleur) dédié à une tâche bien précise exécutée dans un environnement (cahier de charges) souvent très contraignant (espace et consommation). Il n y a pas des E/S classiques (clavier, écran ou souris) qu on distingue facilement» [5]. L architecture matérielle des systèmes embarqués se présente comme suit : Fig. 1. Architecture d un système embarqué 5 Ainsi, dans un système GPS de navigation automobile il existe un système embarqué destiné à recevoir des informations de localisation et à les communiquer au conducteur. Concrètement, les informations de positionnement (longitude, latitude) sont combinées à une carte dynamique pour permettre de calculer la trajectoire de l automobile, et guider la conduite. Les éléments de la carte électronique et d adressage sont stockés dans une base de données locale 5 Source : Cours de Technologies Embarquée Théorie de Master 2 Informatique appliquée aux SIG, Université de Douala, 8

9 ou téléchargée depuis Internet. Les processus sont exécutés par un microprocesseur et les données à traité sont en mémoire. Un écran adapté permet l affichage de la carte. La figure 2 (Fig. 2.) montre globalement comment sont organisé les différents éléments matériels et logiciels Fig. 2. Architecture globale d un bloc de calcul de système GPS de navigation Après avoir présenté globalement l architecture, examinons les composants qui satisfont aux spécifications majeures. Pour cela, nous choisissons de les scinder en composants matériels et composants logiciels. II.1- Les composants matériels (fig. 3.) les dispositifs d entrée de données sont le récepteur GPS, et l I/O. ; l unité de traitement est représentée ici par le CPU ; Etant donné, l importance du rafraichissement de l affichage de la carte électronique nous avons souvent besoin d une mémoire vidéo en plus de la mémoire vive ; Enfin les carte pouvant être sur support externe ne sont pas représenté dans ce schéma conceptuel. 9

10 Fig. 3. Composants matériels du système GPS de navigation automobile II.2- Les composants logiciels Au niveau logiciel, les systèmes GPS de navigation automobile, se divise en plusieurs couches qui gèrent différents niveaux de tache. - la couche pilotage : pilote UART 6, pilotes LED 7, pilotes des entrée/sorties, pilotes LCD, pilotes VGA, SPI bus 8, pilotes de périphérique. - la couche noyau : basée sur les systèmes Linux, Windows, ou Sun ; - la couche application : qui s occupe exclusivement des taches d affichage. Cette dernière couche est organisée comme le présente la figure 4 (Fig. 4.). : 6 Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART), est un émetteur récepteur asynchrone universel. 7 light emitting diode (LED), composant opto électronique capable d émettre de la lumière lorsqu il est parcouru par un courant électrique. 8 Serial Peripheral Interface (SPI), bus de donnée série synchrone opérant en full duplex 10

11 Fig. 4. Composants logiciels du système GPS de navigation automobile Les taches de ce block sont l acquisition des données, la fusion des données, le filtrage des données, les calculs pour la navigation, et enfin les taches d affichages. Ainsi, sur la base des positions successives reçues au niveau du calculateur, des recherches sont effectuées dans la base de données, et les interfaces utilisateurs sont prises en comptes pour un affichage des pixels. Toutes ces opérations sont régulées par un «timer» qui cadence les différentes taches élémentaires. II.3- Intégration des différents composants L intégration des différents composants doit être faite de façon à assurer une bonne modularité et une grande robustesse. A terme, quand le système est fonctionnel sa composition peut être décrite comme le montre la figure 5. 11

12 Fig. 5. Intégration des Composants Il s agit des blocs fonctionnels du système en trait plein et des parties optionnel en pointillé. On y retrouve entre autre : Le récepteur GPS (GPS receiver) : Reçois le signal des satellites et détermine la position de l automobile ; Le Capteur de direction (vibratrory Gyro) : détecte la direction (nord, sud, est, ouest) de l automobile. Le Capteur de vitesse (speed sensor) : détecte la distance parcourue par l automobile. Capteur de congestion de voire (VICS receiver) ; Ecran (display) : écran du système de navigation pour l affiche de la carte électronique. Base de données cartographique (map data media) : stocke les données cartographiques et attributaires CPU : vérifie les informations reçues du récepteur GPS et des autres capteurs, et affiche à l écran. ROM et RAM ; 12

13 III. LIMITES INFORMATIQUES ET LEUR REDUCTION Comme tout système embarqué, les systèmes GPS de navigation sont confrontés à de nombreuses contraintes. Ces contraintes sont de divers ordres entrainent des problèmes sérieux quand ils ne sont pas pris en compte. III.1- Les limites des systèmes GPS de navigation automobile Les limites vont des problèmes de précision à l interface Homme-machine. Pour Nowakowski, Green et Tsimhoni [4], «un système de navigation bien conçu peut empêcher de fausses manœuvres, réduire le temps de voyage, et avec espoir, atténuer une partie de la charge de travail du conducteur. Cependant, une mauvaise utilisabilité peut détourner les conducteurs, augmenter leur charge de travail et les amener à faire des manœuvres dangereuses». L interface Homme-machine tient donc une place importante et dans la fiabilité de ces systèmes de navigation. La précision GPS : en agglomération, une zone d incertitude de 20 m, peut affecter l utilisation des systèmes dans certains cas ; La visibilité en environnement urbain et accidenté est difficiles rendant problématique l utilisation à proximité de grands bâtiments ; Les difficultés de mises à jour des cartes géographiques entrainent des erreurs d appréciation. La Taille réduite de l écran d affichage peut être inconfortable pour certains conducteurs. III.2- Les limites liées à l architecture informatique de base Les limites liées à l architecture informatique sont de plusieurs ordres : - La faiblesse de microprocesseur en raison de la miniaturisation et la faiblesse des couts d acquisition ; - La faiblesse de la mémoire étant donnée la taille importante des données cartographiques ; 13

14 - La faiblesse de l autonomie énergétique pour les GPS portables III.3- Les solutions aux limites liées à l architecture informatique Un certains nombres de techniques permettent de réduire les erreurs dans l utilisation des systèmes GPS de navigation automobile. - L utilisation du différentiel GPS (DGPS) ; - L utilisation du système WAAS / EGNOS ; - L utilisation des points de marquage ; - Le guidage vocal ; - Les informations sur le trafic ; - Les alertes de dépacement. 14

15 CONCLUSION Dans ce document, nous avons présenté les systèmes GPS de navigation automobile à travers leurs aspect architecture informatique. Il existe une architecture de base commune pour la plupart des systèmes. De base, ses systèmes, offrent une précision réduite, ils sont donc très souvent couplés avec d autres techniques telles que les capteurs de vitesse, de direction, et les récepteurs d information sur la congestion des routes. Avec l avènement des systèmes d exploitation libre en environnement embarqué, les systèmes de positionnent ont de bel avenir. Nous n avons malheureusement pas pu disposer d un récepteur GPS pour tester une installation de logiciel libre embarqué afin de confirmer toutes ces informations théoriques. 15

16 BIBLIOGRAPHIE [1] GfK, Portable satellite navigation systems on the road to success, [2] S. Botton, Géodésie présentation générale du système GPS, Cours de Géodésie de Master 2 Informatique appliquée aux SIG, Université de Douala, , p. 7-9 [3] S. Botton, Géodésie présentation générale du système GPS, Cours de Géodésie de Master 2 Informatique appliquée aux SIG, Université de Douala, , p. 11. [4] P. Correia, Guide pratique du GPS, 4 ème édition Eyrolles, 2005, p [5] S. Botton, Master IASIG : systèmes embarqués, Cours de Technologies Embarquée - Théorie de Master 2 Informatique appliquée aux SIG, Université de Douala, , p