Capteurs inertiels avancés pour les applications de cartographie intérieure

Un système de positionnement intérieur (IPS) est une technologie spécialisée qui identifie avec précision l'emplacement d'objets ou de personnes dans des espaces clos, tels que des bâtiments, où les signaux GNSS peuvent être faibles ou inexistants. L'IPS utilise diverses techniques pour fournir des informations de positionnement précises dans des environnements tels que les centres commerciaux, les aéroports, les hôpitaux et les entrepôts.

L'IPS peut s'appuyer sur plusieurs technologies pour la détermination de la position, notamment :

• Wi-Fi : Utilise l'intensité du signal et la triangulation à partir de plusieurs points d'accès pour l'estimation de la position.
• Bluetooth Low Energy (BLE) : Utilise des balises qui envoient des signaux aux appareils à proximité pour le suivi.
• Ultrasons : Utilise des ondes sonores pour une détection précise de la position, souvent avec des capteurs d'appareils mobiles.
• RFID (Radio-Frequency Identification, identification par radiofréquence) : implique des étiquettes placées sur les articles pour un suivi en temps réel.
• Centrales de mesure inertielle (IMU) : ces capteurs surveillent le mouvement et l'orientation, améliorant ainsi la précision du positionnement lorsqu'ils sont combinés à d'autres méthodes.

Une carte numérique détaillée de l'espace intérieur est essentielle pour un positionnement précis, tandis que les appareils mobiles ou les équipements spécialisés collectent les signaux de l'infrastructure de positionnement.

L'IPS améliore la navigation, suit les actifs, aide les services d'urgence, analyse le comportement de vente au détail et s'intègre aux systèmes de bâtiments intelligents, améliorant considérablement l'efficacité opérationnelle là où le GNSS traditionnel échoue.

SLAM, qui signifie Simultaneous Localization and Mapping (localisation et cartographie simultanées), est une technique de calcul utilisée en robotique et en vision artificielle pour construire une carte d'un environnement inconnu tout en assurant le suivi de la position d'un agent dans cet environnement. Ceci est particulièrement utile dans les scénarios où le GNSS n'est pas disponible, comme à l'intérieur ou dans les zones urbaines denses.

Les systèmes SLAM déterminent la position et l'orientation de l'agent en temps réel. Cela implique le suivi du mouvement du robot ou de l'appareil lorsqu'il navigue dans l'environnement. Pendant que l'agent se déplace, le système SLAM crée une carte de l'environnement. Il peut s'agir d'une représentation 2D ou 3D, capturant la disposition, les obstacles et les caractéristiques de l'environnement.

Ces systèmes utilisent souvent plusieurs capteurs, tels que des caméras, des LiDAR ou des centrales de mesure inertielle (IMU), pour recueillir des données sur l'environnement. Ces données sont combinées pour améliorer la précision de la localisation et de la cartographie.

Les algorithmes SLAM traitent les données entrantes pour mettre à jour la carte et la position de l'agent en continu. Cela implique des calculs mathématiques complexes, y compris des techniques de filtrage et d'optimisation.

La photogrammétrie est la science et la technique qui consistent à utiliser des photographies pour mesurer et cartographier les distances, les dimensions et les caractéristiques d'objets ou d'environnements. En analysant des images se chevauchant prises sous différents angles, la photogrammétrie permet de créer des modèles 3D, des cartes ou des mesures précis. Ce processus fonctionne en identifiant des points communs dans plusieurs photographies et en calculant leurs positions dans l'espace, à l'aide des principes de la triangulation.

La photogrammétrie est largement utilisée dans divers domaines, tels que :

• Cartographie topographique par photogrammétrie : Création de cartes 3D de paysages et de zones urbaines.
• Architecture et ingénierie : pour la documentation des bâtiments et l’analyse structurelle.
• La photogrammétrie en archéologie : Documenter et reconstruire les sites et les artefacts.
• Relevés de photogrammétrie aérienne : Pour la mesure des terrains et la planification de la construction.
• Foresterie et agriculture : surveillance des cultures, des forêts et des changements d'affectation des terres.

Lorsque la photogrammétrie est combinée à des drones modernes ou des UAV (véhicules aériens sans pilote), elle permet la collecte rapide d'images aériennes, ce qui en fait un outil efficace pour les projets d'arpentage, de construction et de surveillance environnementale à grande échelle.

Un LiDAR (Light Detection and Ranging) est une technologie de télédétection qui utilise la lumière laser pour mesurer les distances par rapport aux objets ou aux surfaces. En émettant des impulsions laser et en mesurant le temps nécessaire à la lumière pour revenir après avoir frappé une cible, le LiDAR peut générer des informations tridimensionnelles précises sur la forme et les caractéristiques de l'environnement. Il est couramment utilisé pour créer des cartes 3D haute résolution de la surface de la Terre, des structures et de la végétation.

Les systèmes LiDAR sont largement utilisés dans divers secteurs, notamment :

• Cartographie topographique : pour mesurer les paysages, les forêts et les environnements urbains.
• Véhicules LiDAR autonomes : Pour la navigation et la détection d'obstacles.
• Agriculture : Pour surveiller les cultures et les conditions des champs.
• Surveillance environnementale : pour la modélisation des inondations, l’érosion du littoral, etc.

Les capteurs LiDAR peuvent être montés sur des drones, des avions ou des véhicules, ce qui permet une collecte rapide de données sur de vastes zones. La technologie est appréciée pour sa capacité à fournir des mesures détaillées et précises, même dans des environnements difficiles, tels que les forêts denses ou les terrains accidentés.

Une centrale de mesure inertielle (IMU) est un module de capteur compact qui mesure le mouvement et l'orientation d'une plateforme en capturant ses accélérations linéaires et ses vitesses de rotation angulaires. À la base, une IMU intègre trois accéléromètres et trois gyroscopes disposés le long d'axes orthogonaux pour fournir six degrés de mesure.

Les accéléromètres détectent la façon dont la plateforme accélère dans l'espace, tandis que les gyroscopes suivent la façon dont elle tourne. En traitant ces mesures ensemble, une IMU fournit des informations précises sur les changements de vitesse, d'attitude et de cap sans s'appuyer sur des signaux externes. Cela rend les IMU essentielles pour la navigation dans les environnements où le GPS est indisponible, peu fiable ou intentionnellement bloqué. Leurs performances dépendent fortement de la qualité du capteur, de l'étalonnage et de la qualité du contrôle des erreurs, telles que les biais, le bruit, les facteurs d'échelle et les défauts d'alignement.

Les IMU de haute qualité comprennent un étalonnage avancé, une compensation thermique, un filtrage des vibrations et des mécanismes de stabilité du biais pour garantir que les erreurs ne s'accumulent pas rapidement au fil du temps. En raison de ces caractéristiques, les IMU sont utilisées dans un large éventail d'applications, des UAV, des munitions rôdeuses et des véhicules autonomes aux AUV, à la robotique et aux systèmes de stabilisation industriels, fournissant une connaissance robuste et continue du mouvement et de l'orientation, même dans les conditions opérationnelles les plus difficiles.

Un référentiel est essentiellement un système de coordonnées que vous utilisez pour décrire la position, le mouvement et l'orientation des objets. En navigation inertielle, il fournit la base mathématique qui vous permet d'exprimer les mesures des capteurs (comme les accéléromètres, les gyroscopes et les magnétomètres) d'une manière cohérente et significative.

Chaque vecteur avec lequel vous travaillez (accélération, vitesse, attitude) est défini par rapport à un référentiel choisi, de sorte que la sélection et la compréhension de ces référentiels sont essentielles. En pratique, nous traitons deux grandes catégories : les référentiels inertiels et les référentiels non inertiels.

Un référentiel inertiel est un référentiel qui est soit parfaitement au repos, soit qui se déplace à une vitesse constante, sans rotation ni accélération ; il permet d'appliquer directement les lois de Newton. Étant donné que les vrais référentiels inertiels n'existent pas sur Terre, nous les approchons, généralement en utilisant un référentiel inertiel centré sur la Terre (ECI) pour les applications spatiales ou à haute altitude.

Pour la plupart des opérations terrestres et marines, nous nous appuyons sur des référentiels non inertiels comme le référentiel Earth-Centered Earth-Fixed (ECEF) ou des référentiels de navigation locaux tels que North-East-Down (NED) ou East-North-Up (ENU). Ces référentiels tournent avec la Terre et incluent la gravité, de sorte que les équations du mouvement doivent être compensées pour les effets de Coriolis et centrifuges.

Dans un INS, le repère lié au corps du véhicule est celui où les données IMU brutes sont mesurées ; le repère de navigation est celui où vous voulez exprimer la vitesse, l'attitude et la position ; et le repère inertiel se situe au-dessus de ceux-ci comme la référence mathématique idéale. Les transformations entre ces repères (gérées par des matrices de rotation, des quaternions ou des matrices de cosinus directeurs) permettent au système de propager l'orientation et d'intégrer les accélérations en vitesse et en position. En fin de compte, un référentiel fournit le “langage” partagé qui transforme les mesures inertielles brutes en informations de navigation utilisables.