Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Programme doctoral Informatique, Communications et Information, Institut d'ingénierie de l'environnement IIE (Laboratoire de topométrie TOPO)

Hybridation MEMS/UWB pour la navigation pédestre intra-muros

Renaudin-Schouler, Valérie Jeanne Thérèse ; Merminod, Bertrand (Dir.) ; Kasser, Michel (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2009 ; no 4429.

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    Summary
    Facing the expansion of geolocation needs, illustrated by the GALILEO European project, the growth of Location Based Services (LBS) and the need to identify the location of emergency mobile phone calls in Europe (standard E112), the research on localization techniques is booming. This thesis focuses on indoor pedestrian navigation and investigates a localization solution based on micro-electromechanical systems (MEMS) and ultra-wideband waves (UWB). MEMS based localization estimates the current location from a previously determined position using on-board low-cost inertial embedded sensors. Unfortunately, the performances of these autonomous systems are affected by large errors (typical of these sensors). In fact standalone solutions drift rapidly with time. Impulse-Radio UWB (IR-UWB) Times Of Arrival (TOA) are often used for localization purposes. This network based technology uses sensor networks, mainly attached to the infrastructure of the building to estimate the location of the transmitter with decimetre accuracy in ideal scenarii. However the indoor environment is hostile for radio propagation. Full of artificial obstacles, electromagnetic waves are disturbed and radiolocation performances are reduced. Construction materials also affect the magnetic field used to estimate the pedestrian's walking direction. In this context, the hybridization of these two complementary and uncorrelated technologies is promising. The study of the movement pattern of a pedestrian walking indoors induces two main outcomes on localization techniques. Firstly, random pedestrian movements complicate MEMS signal processing. Secondly, when the transmitter is worn by the user, for example around the neck, IR-UWB that propagates through the human body can hardly contribute to the localization. Optimal data fusion filters that hybridize a large set of observations : Angles Of Arrival (AOA), Time Differences Of Arrival (TDOA), accelerations, angular velocities and magnetic field measurements are presented. The coupling of UWB and MEMS data relies on an Extended Kalman Filter (EKF) complemented with specific procedures. Loose integration and tight integration are considered. Outlier detection processes within the radio data enrich the EKF. The most remarkable process is based on the RANSAC paradigm and employs the physical constraints of the pedestrian's walk described by biomechanics. In some cases, it enables the processing of reflected radio signals. A user equipped with a MEMS module and an UWB transceiver walked in the premises of the EPFL, following nine independent paths, for a total length of 380 m. The benefit of the MEMS/UWB hybridization filters are evaluated based on this experiment. The tight integration outperforms the loose coupling and enables indoor pedestrian localization with a one metre accuracy.
    Résumé
    Dans un contexte d'expansion des activités de géolocalisation illustré par le projet européen GALILEO, par la mise en place de services commerciaux liés à la position de clients potentiels (LBS) et par la nécessité de répondre à des demandes européennes de localisation d'usagers du téléphone portable (norme E112), la recherche sur les techniques de localisation est en plein essor. Cette thèse se concentre sur la navigation pédestre intra-muros et élabore une solution de localisation à partir de capteurs micro-électromécanique (Micro-Electro-Mechanical Sensors – MEMS) et d'ondes à ultra-large bande (ultra-wideband – UWB). Les MEMS embarqués sur la personne fournissent une solution autonome disponible en continu, mais dont la précision est affectée par une dérive des mesures. La mesure de temps de propagation à partir d'émission d'ondes UWB impulsionnelles permet d'estimer la position d'un émetteur en fonction des récepteurs connectés en réseau et rattachés à l'infrastructure du bâtiment. Lorsqu'aucun obstacle ne perturbe la transmission des ondes UWB, la précision de localisation est décimétrique. Cependant l'intra-muros est hostile à la propagation radio. Formé de dièdres et de trièdres artificiels, il perturbe les ondes électromagnétiques et réduit les performances de radiolocalisation. Les matériaux constitutifs des bâtiments perturbent aussi le champ magnétique terrestre, utile à la détermination du cap de marche. Dans ce contexte, la fusion de ces deux technologies complémentaires et décorrélées est prometteuse. L'étude de l'influence du piéton sur les techniques de localisation montre une double implication. Tout d'abord, le comportement chaotique de marche complique la dynamique de traitement des signaux MEMS. Ensuite, lorsque l'émetteur radio est porté par l'usager, par exemple en collier autour du cou, les ondes UWB propagées au travers du corps humain ne peuvent pratiquement pas participer à l'estimation de la position du piéton. Cette recherche propose plusieurs filtres d'hybridation optimale d'un maximum d'observations : les angles d'arrivée (AOA), les différences de temps d'arrivée (TDOA), les accélérations, les vitesses angulaires et les mesures de champ magnétique. Ils reposent sur un filtre de Kalman étendu complété par des processus spécifiques. Deux stratégies de couplage sont détaillées : l'hybridation serrée et l'hybridation lâche. Des procédures de tri des observations radio aberrantes enrichissent le filtre principal. La plus remarquable s'appuie sur le paradigme RANSAC et exploite les contraintes physiques de marche d'un piéton, décrites par la biomécanique. Son action permet même d'exploiter des profils de signaux issus de multi-trajets. A partir de 380 m parcourus par un piéton équipé d'un module MEMS et d'un émetteur UWB sur neuf parcours indépendants dans les locaux de l'EPFL, nous évaluons les performances de localisation des algorithmes d'hybridation MEMS/UWB développés et relevons le défi du suivi, au mètre près, du déplacement intra-muros d'un piéton.