Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut du développement territorial INTER (Laboratoire de topométrie TOPO)

Capteurs et algorithmes pour la localisation autonome en mode pédestre

Ladetto, Quentin ; Merminod, Bertrand (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2710.

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    Summary
    The challenge of knowing one's position in a precise and reliable way, at any time, with and without reception of satellite signals, represents an area fairly explored for the navigation of vehicles. To widen this service to the pedestrians requires a different approach that adapts to the dynamics, to the speed and especially to the total freedom of movement of the people. The traditional approach implements a triad of accelerometers and gyroscopes, which signals are integrated to obtain the relative displacement. This concept is unfortunately not judicious for a low-cost system. The principal reason is that the speed of displacement of a person is lost in the sensor noise level. In order to take into account all these specificities, an occurential approach was developed, based upon a subset of sensors as well as physiological and biomechanical parameters of the walk. This research is divided into three main directions. The first area of interest consists in the determination of the physiological parameters necessary to quantify the speed of walk and the step length. While the agitation of the accelerometer signals is a good speedometer, the frequency of the steps improves the robustness of the models. The influence of the gender added to the great human diversity imply the normalisation of the various relations deduced. Many tests carried out under conditions of everyday life reveal that the variation of the stride length, especially with the slope, strongly depends on the physical training of the person as well as on the duration of the climb or descent. Characteristic pattern were identified to differentiate between the forward, backward and lateral movements. The various suggested models were then favourably tested with some blind people, whose walking rhythm strongly varies according to the degree of confidence they have towards the course. The second part directly relates to the multiple technologies integrated to build an autonomous three-dimensional Pedestrian Navigation Module (PNM). The knowledge of the terrestrial magnetic field and its orientation makes it possible to determine the azimuth of displacement of a person. The use of a gyroscope improves the reliability of the system and facilitates the detection of magnetic disturbances. More stable in the short term than the compass, it is therefore the optimal complement under such circumstances. The altimetric information is obtained by barometric measurements which, according to the required precision, can be differential. The implementation of a GPS receiver allows the absolute positioning simultaneously to the calibration of the different sensor parameters and physiological models. The third part describes the integration of the models and measurements as well as the characteristics and treatments specific to pedestrian navigation. An initialisation phase is presented to individualize the parameters of the walk and adapt them from the general model. Hence, thanks to the compass-gyroscope integration together with the detection of any movement, this allows an optimal determination and filtering of the azimuth that has little or no temporal degradation. The consideration of several phenomena specific to the displacements of the humans brings artificial intelligence in pedestrian navigation. The coupling of the various sources of measurements, the influence of their precision on the computed position as well as their implication on the PNM reliability are described and illustrated. More than 550 km covered in various circumstances by 31 people allowed to validate the presented approach while fixing its limits.
    Résumé
    Connaître sa position de façon précise et fiable, en tout temps, avec et sans réception de signaux satellitaires, représente une problématique passablement explorée pour la navigation de véhicules. Élargir ce service aux piétons nécessite une approche différente, adaptée à la dynamique, à la vitesse et surtout à la totale liberté de mouvement que favorise la marche à pied. La mécanisation classique consistant en une double intégration de l'accélération jointe à une intégration de la vitesse angulaire pour obtenir une position n'est malheureusement pas judicieuse pour des systèmes bon marché. La raison principale est que la vitesse de déplacement d'une personne se trouve noyée dans la plage de bruit du capteur. Afin de tenir compte de toutes ces spécificités, une approche événementielle, remplaçant celle mentionnée ci-dessus et dite temporelle, fut développée. Celle-ci fait appel à diverses technologies ainsi qu'à une approche physiologique et biomécanique de la marche, scindant cette recherche en trois parties principales. La première étape consiste en la détermination des principaux paramètres physiologiques utiles à la quantification de la vitesse et de la taille des pas. Si l'agitation des signaux accélérométriques se veut un bon indicateur de la vitesse, la fréquence des pas améliore la robustesse du modèle. L'influence du genre de la personne s'additionnant à la grande diversité humaine, une normalisation des différentes relations est nécessaire. De nombreux essais réalisés dans des conditions de la vie de tous les jours montrent que la variation de la taille des pas en fonction de la pente dépend fortement de la condition physique de l'individu ainsi que de la durée de l'ascension ou de la descente. Une personne pouvant se déplacer en avant, en arrière et latéralement, les motifs caractéristiques de ces mouvements-types on été identifiés. Les divers modèles suggérés furent testés ensuite favorablement avec des aveugles dont la marche varie fortement en fonction du niveau de confiance envers le parcours effectué. La deuxième partie concerne directement les multiples technologies nécessaires à une localisation tri-dimensionnelle autonome. La connaissance du champ magnétique terrestre et de son orientation permet de déterminer l'azimut de déplacement de la personne. L'utilisation d'un gyroscope améliore la fiabilité du système tout en facilitant la détection et la mitigation de l'influence des perturbations magnétiques. Plus stable à court terme que le compas, celui-ci en est donc le complément idéal dans de telles circonstances. L'information altimétrique s'obtient par mesures barométriques qui, selon le degré de précision désiré, peuvent être différentielles. L'utilisation d'un récepteur GPS permet une localisation absolue ainsi que le calibrage des erreurs des divers senseurs et des modèles physiologiques. Le troisième chapitre décrit le processus d'intégration des modèles et mesures utilisées de même que les caractéristiques et traitements spécifiques à la navigation pédestre. Une phase d'initialisation est présentée afin de déterminer les spécificités du mouvement de chacun et d'adapter ainsi individuellement les paramètres de marche. La détection du déplacement couplée à celle de la direction permet une détermination et un filtrage optimal de l'azimut ne présentant que peu ou pas de dégradation temporelle. La prise en compte de divers phénomènes propres aux déplacements des êtres humains permet à l'intelligence artificielle d'améliorer la navigation pédestre. Le couplage des diverses sources de mesures ainsi que leur précision et implication sur la fiabilité de l'information fournie sont décrits et illustrés. Plus de 550 km parcourus dans diverses circonstances avec 31 personnes différentes ont permis de valider l'approche présentée tout en fixant ses limites.