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Mis à jour le 21/11/2019

Examinez les options de système de localisation

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Comment le système peut-il se localiser ?

Notre tracteur doit pouvoir déterminer sa position avec une précision suffisante, de l’ordre du centimètre, afin d’éviter qu’il ne dévie de sa trajectoire et sorte de son champ. Dans ce chapitre, nous allons couvrir les différents moyens de localisation, afin de déterminer celui ou ceux qui sont les plus pertinents.

Codeur rotatif

Par Victor Korniyenko — Travail personnel, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10302846

Un codeur rotatif est un type de capteur permettant de délivrer une information d'angle, en mesurant la rotation effectuée autour d'un axe.

L'information de vitesse peut alors être déduite de la variation de la position par rapport au temps. Plus le codeur rotatif tourne lentement, plus la déduction de vitesse perd en précision.

Il existe 2 principaux types :

  • le codeur rotatif incrémental qui ajoute ou soustrait (selon le sens de rotation) une unité à un compteur à chaque rotation supérieure à la résolution du capteur ;

  • le codeur rotatif absolu qui intègre son propre compteur. Par exemple, les compteurs kilométriques des automobiles.

Gyroscope

Les six degrés de liberté dans un espace à trois dimensions : trois de translation et trois de rotation. - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:6DOF-fr.svg
Les six degrés de liberté dans un espace à trois dimensions – Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:6DOF-fr.svg

Un gyroscope (du grec « qui observe la rotation ») est un appareil qui exploite le principe de la conservation du moment angulaire en physique (ou encore stabilité gyroscopique ou effet gyroscopique). Cette loi fondamentale de la mécanique veut qu'en l'absence de couple appliqué à un solide en rotation, celui-ci conserve son axe de rotation invariable. Le gyroscope donne la position angulaire (selon un, deux ou les trois axes) de son référentiel par rapport à un référentiel inertiel (ou galiléen).

Contrairement à un drone aérien pour qui cette information permet la stabilisation, cette information ne sera pas très utile à notre tracteur. Afin de déterminer l’inclinaison du tracteur et son éventuel basculement, de simples interrupteurs au mercure pourront être utilisés.

Interrupteur à mercure sans boîtier -
Interrupteur à mercure sans boîtier – Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mercury_Switch_without_housing.jpg

Poisson capteur

Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Technical_drawing_of_the_latest_version_of_the_Sensor_Fish.jpg
Poisson capteur – Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Technical_drawing_of_the_latest_version_of_the_Sensor_Fish.jpg

Un exemple de dispositif embarqué intégrant des gyroscopes est le « poisson capteur », créé par le Département américain de l’énergie afin d’enregistrer les contraintes physiques que subissent les poissons en passant à travers les turbines d’un barrage hydraulique.

Il a à peu près la même taille qu’un jeune saumon et une flottabilité neutre permettant de rester sous l'eau. À l'intérieur sont des capteurs et une batterie lithium-ion capable d'enregistrer cinq minutes de turbulence : vitesse de rotation, pression et accélération.

Accéléromètre

Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Accuracy_of_Navigation_Systems.svg
Précision des systèmes de navigation (2 dimensions) – Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Accuracy_of_Navigation_Systems.svg

Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile ou à tout autre objet, permet de mesurer l'accélération linéaire de ce dernier. On parle d'accéléromètre même lorsqu'il s'agit en fait de 3 accéléromètres qui calculent les accélérations linéaires selon 3 axes orthogonaux.

La combinaison d'un accéléromètre et d'un gyroscope constitue une centrale à inertie capable de mesurer l'ensemble des 6 accélérations (3 linéaires et 3 angulaires).

L’accélération peut être exprimée en « g » (environ 9,81 m/s2), une accélération d’un g correspondant à celle causée par la gravitation terrestre.

Un accéléromètre permet de mesurer la vitesse (par intégration) et la mesure de déplacement (par double intégration). Du fait de ce processus d’intégration, la précision des systèmes inertiels se dégrade rapidement après calibration. Ils devront donc être complétés par un système de géolocalisation global.

Géopositionnement par satellite

Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ConstellationGPS.gif
Simulation de la conception originale du segment spatial GPS, avec 24 satellites GPS – Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ConstellationGPS.gif

Ce système repose sur l’exploitation de signaux radio émis par une constellation de satellites, en mesurant le temps mis au signal pour nous parvenir. Il est possible de déterminer la distance au satellite dont la position est connue. Si la configuration des satellites est bonne, à partir de 4 satellites, il est possible de connaître la position absolue du capteur (x, y, z, t).

Il existe trois constellations utilisables par le public :

  • GPS (américain) ;

  • GLONASS (russe) ;

  • Galileo (européen), dont le déploiement doit s’achever vers 2020.

Le système de géolocalisation par satellite est intéressant pour notre tracteur, en raison de l’absence d’obstacle (bâtiments, arbres) dans les champs (en général), ce qui permet une bonne visibilité satellitaire et évite les échos contre des surfaces qui fourniraient une information de distance erronée.

Toutefois, ce système a deux inconvénients pour notre tracteur :

  • la précision est insuffisante (de l’ordre d’une dizaine de mètres) ;

  • la précision n’est pas constante, elle dépend de la configuration satellitaire qui varie au cours de la journée.

Géopositionnement par satellite différentiel

Source: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20851972
Disposition des satellites pour obtenir un bon coefficient GDOP – Source : https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20851972

Le système de géopositionnement global souffre de perturbations importantes dues à la traversée des couches basses de l'atmosphère, la troposphère. La présence d'humidité et les modifications de pression de la troposphère modifient l'indice de réfraction et donc la vitesse et la direction de propagation du signal radio.

Valeur de l'erreur en fonction de sa source
Valeur de l'erreur en fonction de sa source

Le deuxième facteur de perturbation est l'ionosphère. Cette couche ionisée par le rayonnement solaire modifie la vitesse de propagation du signal. La plupart des récepteurs intègrent un algorithme de correction, mais en période de forte activité solaire, cette correction n'est plus assez précise.

Des sociétés comme OmniSTAR, utilisant leurs propres stations de référence situées un peu partout dans le monde, sont capables de fournir des services de correction des données satellitaires, qui permettent une précision sous les 10 cm.

Conclusion

Source: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29206640
Navigation maritime sur carte – Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CYA_Coastal_Navigation_With_Dead_Reckoning.JPG

Le contexte d’utilisation est primordial dans la définition de la solution de géolocalisation retenue. Il serait par exemple problématique de choisir une solution uniquement basée sur les ondes radio dans un environnement citadin, avec des bâtiments pouvant réfléchir ces ondes (multichemin). Afin de s’adapter aux différentes situations, les systèmes hybrides mettant en œuvre plusieurs moyens de géolocalisation sont à privilégier.

Dans ce chapitre, après avoir approfondi les questions du contrôle-commande et de la localisation, voyons à présent comment le système va interagir avec un opérateur humain.

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite