Les systèmes mondiaux de navigation par satellite ont révolutionné le positionnement des véhicules, permettant de déterminer avec précision l'emplacement d'un véhicule n'importe où sur la planète, par ciel dégagé. Cependant, les systèmes dépendant du GNSS échouent exactement lorsque les données de positionnement deviennent les plus critiques : dans les canyons urbains, les tunnels, les passages souterrains, les parkings à étages et les installations d'essai en intérieur. Le développement de véhicules autonomes, la validation de systèmes avancés d'aide à la conduite et les essais de dynamique des véhicules exigent tous des données de position continues, quelle que soit la visibilité des satellites. La technologie d'estime répond à cette limitation fondamentale en maintenant les estimations de position pendant les pannes de GNSS, garantissant ainsi des données ininterrompues pour les applications critiques.
Comprendre les principes de base du calcul à l'aide de la méthode de l'arithmétique des morts
L'estime est l'une des plus anciennes techniques de navigation de l'humanité. Elle permet de calculer la position actuelle sur la base d'une position, d'une direction de voyage, d'une vitesse et d'un temps écoulé connus antérieurement. Les navigateurs maritimes ont utilisé l'estime pendant des siècles avant l'apparition des systèmes de positionnement électroniques, en suivant manuellement le mouvement du navire entre les repères de navigation céleste.
L'estime automobile moderne utilise les mêmes principes fondamentaux, améliorés par des capteurs sophistiqués et des algorithmes de calcul. Les unités de mesure inertielle contenant des accéléromètres et des gyroscopes mesurent le mouvement du véhicule en trois dimensions, ce qui permet de calculer les changements de position à partir d'un point de départ connu. Associés au positionnement GNSS en cas de visibilité des satellites, ces systèmes permettent un suivi continu de la position, quelle que soit la disponibilité du signal.
La distinction essentielle entre les approches de navigation à l'estime captives et non captives réside dans les exigences en matière d'intégration des capteurs. Les systèmes captifs nécessitent des entrées externes provenant de capteurs de vitesse de roue, de mesures de l'angle de braquage ou de données CAN du véhicule, ce qui complique l'intégration et limite l'applicabilité à divers types de véhicules. Les systèmes non attachés fonctionnent de manière totalement indépendante en utilisant uniquement des capteurs inertiels internes, ce qui élimine les obstacles à l'intégration tout en assurant une compatibilité universelle.
Le défi du canyon urbain
Les villes modernes créent les environnements GNSS les plus difficiles au monde. Les grands immeubles créent des canyons de rue où la visibilité des satellites est limitée à une étroite tranche de ciel directement au-dessus de la tête. La propagation par trajets multiples se produit lorsque les signaux GNSS se reflètent sur les façades des bâtiments, créant de fausses mesures de télémétrie qui dégradent la précision de la position, même lorsque les satellites restent théoriquement visibles.
Les essais de véhicules autonomes doivent avoir lieu dans ces environnements difficiles, car les opérations urbaines représentent le principal scénario de déploiement de la technologie de conduite autonome. Cependant, la validation des performances des systèmes autonomes nécessite des données de position précises au sol, précisément lorsque la fiabilité du GNSS est la plus faible. Ce paradoxe a toujours imposé des compromis, notamment la limitation des essais aux zones suburbaines, le déploiement de systèmes de référence coûteux ou l'acceptation de lacunes dans les données de position.
La navigation à l'estime élimine ces compromis en maintenant la précision de la position en cas d'interruption du GNSS. Lorsque les véhicules naviguent entre les bâtiments, entrent dans les parkings souterrains ou traversent des zones couvertes, le positionnement inertiel continue à fournir des estimations de position jusqu'à ce que la visibilité du satellite soit rétablie. Lorsque le signal GNSS est rétabli, le système se recalibre automatiquement, ce qui permet de maintenir la précision à long terme sans intervention manuelle.
Applications d'essais en tunnel
Les terrains d'essai, les routes publiques et les infrastructures urbaines comprennent tous des sections de tunnel où les signaux GNSS sont complètement bloqués. Les essais de véhicules électriques se déroulent de plus en plus souvent dans des chambres climatiques offrant des environnements thermiques contrôlés, ce qui crée un autre environnement d'essai totalement dépourvu de GNSS. Les installations d'essai des batteries, les plates-formes dynamiques intérieures et les souffleries nécessitent toutes des mesures de position et de vitesse sans accès aux satellites.
Les solutions traditionnelles, notamment les systèmes de suivi par laser, les balises de positionnement local ou l'acceptation de lacunes dans les données, présentent toutes des limites. Le suivi par laser nécessite une infrastructure coûteuse et une visibilité directe sur le véhicule. Les balises locales nécessitent une installation et un étalonnage dans chaque installation d'essai. Les lacunes dans les données compromettent la qualité de l'analyse et nécessitent plusieurs essais pour obtenir des ensembles de données complets.
Le capteur GPS CAN RD UDR de Metis Engineering fournit un positionnement continu dans les environnements dépourvus de GNSS grâce à la technologie de la navigation à l'estime sans ancrage. Le capteur fonctionne de la même manière dans les tunnels, les installations intérieures et les conditions de ciel ouvert, éliminant ainsi le besoin d'une infrastructure spécifique ou de systèmes de positionnement supplémentaires.
Exigences en matière de validation des véhicules autonomes
Les systèmes de conduite autonome doivent démontrer qu'ils fonctionnent en toute sécurité dans tous les environnements, y compris ceux où la fiabilité du GNSS est compromise. La validation consiste à comparer la trajectoire prévue du véhicule avec sa position réelle à une résolution temporelle élevée, afin d'identifier tout écart susceptible d'indiquer des défaillances de localisation ou des problèmes au niveau du système de contrôle.
Les données de position de la vérité au sol doivent conserver leur précision indépendamment de la solution de localisation propre au système autonome. Si la validation repose sur les mêmes signaux GNSS que ceux utilisés par le système autonome, les défaillances affectant le fonctionnement du véhicule compromettront également les données de validation. Cette circularité empêche une évaluation significative de la sécurité pendant les pannes de GNSS.
La navigation à l'estime fournit un positionnement indépendant de la vérité au sol qui continue à fonctionner lorsque la localisation d'un véhicule autonome rencontre des difficultés. Cette indépendance permet de valider la manière dont les systèmes gèrent la dégradation du GNSS, si les modes de localisation de secours s'activent de manière appropriée et si le fonctionnement sûr se poursuit dans des conditions difficiles.
Le taux de mise à jour de 20 Hz du capteur GPS CAN UDR offre une résolution temporelle suffisante pour la validation des véhicules autonomes tout en maintenant des volumes de données gérables. Les mises à jour de la position toutes les 50 millisecondes permettent de saisir la dynamique du véhicule lors de manœuvres normales tout en permettant une analyse détaillée du comportement du système lors d'événements critiques.
Télémétrie pour les rallyes et les sports mécaniques
Le sport de rallye présente des défis extrêmes en matière de positionnement, car les véhicules circulent à grande vitesse dans les forêts, entre les falaises, dans les vallées encaissées et dans d'autres environnements où la visibilité des satellites fluctue constamment. Les systèmes GNSS traditionnels subissent de fréquentes pertes de signal, ce qui crée des lacunes dans les données de télémétrie au moment précis où les véhicules fonctionnent à la limite de leurs performances et où les données sont les plus précieuses.
La technologie de l'estime permet un suivi continu de la position tout au long des étapes du rallye, quelle que soit la visibilité des satellites. Les équipes obtiennent des données complètes sur la trajectoire du véhicule, ce qui permet d'analyser les performances, d'entraîner les pilotes et d'optimiser la configuration du véhicule. La technologie offre également des avantages en termes de sécurité, car elle permet de déterminer avec précision la position du véhicule en cas d'intervention sur un incident ou de récupération du véhicule.
Les courses sur circuit présentent différents défis, notamment les stands de ravitaillement, les tribunes et les structures en bord de piste qui bloquent périodiquement les signaux GNSS. Bien que la perte totale du signal puisse être brève, les interruptions se produisent à des endroits spécifiques du circuit, tour après tour, empêchant toute analyse détaillée du comportement du véhicule à ces endroits. La navigation à l'estime élimine ces angles morts et fournit des données de position complètes sur l'ensemble du circuit.
La construction robuste du capteur GPS CAN UDR résiste aux vibrations extrêmes, aux forces g et aux conditions environnementales typiques des applications de sport automobile. La taille compacte et le poids minimal garantissent que les installations n'affectent pas la dynamique du véhicule et ne nécessitent pas de modifications du châssis.
Analyse avancée de la dynamique des véhicules
Les ingénieurs en dynamique des véhicules qui développent la maniabilité, valident le contrôle de la stabilité et évaluent le confort de conduite ont besoin de données précises sur la position et la vitesse pendant les manœuvres dynamiques. Les procédures d'essai, notamment les changements de voie, les changements de direction et l'évitement d'obstacles, impliquent des mouvements rapides du véhicule où la précision de la position est cruciale.
L'association de données de position à haut débit et d'informations provenant des capteurs du véhicule, notamment l'angle de braquage, la vitesse de lacet et l'accélération latérale, permet de mettre en œuvre des techniques d'analyse sophistiquées. Les ingénieurs peuvent valider les seuils d'activation du contrôle électronique de la stabilité, évaluer la précision du suivi de la trajectoire et établir une corrélation entre les données du conducteur et la réponse du véhicule.
La détermination de l'angle de dérapage latéral fournit des informations précieuses sur la dynamique du véhicule, mais nécessite des données de position d'une qualité suffisante pour différencier le cap du véhicule de la direction du déplacement. Le positionnement continu rendu possible par la technologie de la navigation à l'estime élimine les complications liées à la perte de données GNSS qui ont toujours limité l'analyse du glissement latéral à des lieux d'essai spécifiques ou à des conditions artificielles.
Metis Engineering fournit des études de cas détaillées démontrant la mesure du glissement latéral de voitures de rallye à l'aide du capteur UDR, mettant en évidence les possibilités d'analyse offertes par le positionnement continu pendant la conduite agressive sur des surfaces meubles où la fiabilité du GNSS est particulièrement mise à l'épreuve.
Simplicité d'intégration et compatibilité universelle
L'approche autonome élimine la complexité de l'intégration qui a toujours limité l'adoption de la navigation à l'estime. Les systèmes de la génération précédente, qui nécessitaient des données sur la vitesse des roues, la mesure de l'angle de braquage ou la connectivité CAN du véhicule, présentaient des exigences spécifiques en matière d'ingénierie et d'étalonnage, ainsi que des problèmes potentiels de compatibilité entre les différentes plates-formes de véhicules.
Le capteur GPS CAN UDR fonctionne de manière identique sur les voitures particulières, les véhicules commerciaux, les motos, les équipements hors route et toute autre application nécessitant une mesure de la position et de la vitesse. Cette universalité élimine le besoin de variantes spécifiques aux véhicules, réduit la complexité des stocks pour les installations d'essai et permet un déploiement rapide dans diverses flottes d'essai.
L'installation ne nécessite qu'un branchement électrique et une interface de bus CAN, le capteur commençant à transmettre la position dès sa mise en service. Aucune procédure d'initialisation, aucune routine d'étalonnage ni aucune entrée de position de référence n'est nécessaire, ce qui réduit considérablement le temps de déploiement par rapport aux systèmes captifs.
Communication par bus CAN pour l'intégration des systèmes d'essai
Les essais de véhicules modernes utilisent des systèmes d'acquisition de données agrégeant des informations provenant de dizaines ou de centaines de capteurs répartis sur l'ensemble du véhicule. La communication CAN représente le protocole dominant pour les réseaux de capteurs automobiles, offrant une transmission de données robuste et insensible au bruit, adaptée aux environnements d'essai difficiles.
Le capteur GPS CAN UDR transmet des données complètes de position, de vitesse et de temps via une interface CAN configurable compatible avec tout système d'acquisition de données basé sur CAN. Les ingénieurs reçoivent la latitude, la longitude, l'altitude, la trajectoire au sol et la vitesse dans des formats de messages CAN standard, ce qui élimine le besoin de récepteurs GPS spécialisés ou de matériel de conversion série-CAN.
L'approche configurable permet l'installation de capteurs sur les réseaux CAN des véhicules existants sans conflits d'adressage ni collisions de messages. Les intégrateurs de systèmes peuvent ajuster le débit binaire CAN et les identificateurs de messages pour répondre aux exigences spécifiques des systèmes d'essai, ce qui garantit la compatibilité entre diverses plates-formes et architectures d'acquisition de données.
Comparaison des performances : GPS standard et GPS de référence
Le capteur GPS CAN RD 50Hz permet un positionnement à haute vitesse de mise à jour lorsque les signaux GNSS restent disponibles, offrant une capacité de 50Hz pour les applications nécessitant une résolution temporelle maximale. Ce capteur est destiné aux applications fonctionnant principalement dans des conditions de ciel ouvert où la fiabilité du GNSS reste élevée mais où les exigences en matière de taux de mise à jour dépassent les capacités du GPS conventionnel.
La variante UDR sacrifie le taux de mise à jour maximal, fonctionnant à 20 Hz, en échange d'une fonctionnalité de navigation à l'estime qui maintient le positionnement en cas de perte de signal. Ce compromis convient aux applications où la couverture continue est plus importante que le taux de mise à jour maximal, notamment les essais en milieu urbain, les opérations dans les tunnels et tout environnement où la disponibilité du GNSS est intermittente.
Pour choisir entre ces options, il faut comprendre les priorités de l'application. Les essais de circuits dans des environnements ouverts peuvent donner la priorité à un taux de mise à jour maximal. La validation des véhicules autonomes en milieu urbain exige une couverture continue, quelle que soit la visibilité du satellite. De nombreuses organisations déploient les deux variantes, en utilisant des capteurs 50Hz pour les essais sur le terrain et des capteurs UDR pour la validation sur la voie publique dans des environnements difficiles.
Performances techniques pendant les pannes du GNSS
La précision de l'estime se dégrade intrinsèquement lors des interruptions prolongées du GNSS, car les petites erreurs de mesure inertielle s'accumulent au fil du temps. Toutefois, les interruptions typiques du GNSS automobile durent quelques secondes ou quelques minutes plutôt que des heures, ce qui limite l'accumulation d'erreurs à des niveaux acceptables pour la plupart des applications.
Les performances en cas de perte de signal dépendent de la dynamique du véhicule, de la durée de la panne et de la complexité du mouvement. Le mouvement en ligne droite à vitesse constante représente le scénario le plus facile avec une accumulation minimale d'erreurs. Les virages, les accélérations et les décélérations agressives créent des conditions plus difficiles où les erreurs de mesure inertielle ont un impact plus important.
Lorsque le signal GNSS est rétabli, le système corrige automatiquement les erreurs accumulées grâce à des techniques de filtrage de Kalman qui combinent de manière optimale les données de positionnement par inertie et par satellite. Ce recalibrage automatique maintient la précision à long terme sans nécessiter d'intervention manuelle ou de correction post-traitement.
Gestion de l'énergie et efficacité opérationnelle
Le traitement inertiel continu nécessite de l'énergie électrique, ce qui pose des problèmes pour les applications alimentées par batterie ou les systèmes pour lesquels il est important de minimiser la consommation d'énergie. Cependant, les capteurs inertiels modernes des systèmes microélectromécaniques (MEMS) ne consomment que des milliwatts, ce qui rend l'impact énergétique négligeable par rapport à d'autres systèmes embarqués.
Le capteur GPS CAN UDR fonctionne sur de larges plages de tension d'entrée, s'adaptant aux différentes architectures électriques des véhicules, des voitures particulières 12V aux véhicules commerciaux 24V, en passant par les systèmes auxiliaires des véhicules électriques à haute tension. Cette flexibilité élimine la nécessité d'une conversion d'énergie externe ou de variantes spécifiques au véhicule.
Documentation et soutien à l'intégration
Une documentation technique complète comprenant des fiches techniques, des manuels d'utilisation, des fichiers CAN DBC et des guides d'intégration permet un déploiement rapide dans diverses applications. Metis Engineering fournit une assistance technique tout au long du processus d'intégration, garantissant une installation réussie et des performances optimales.
L'approche normalisée utilisant la communication CAN et des connecteurs de qualité automobile permet aux ingénieurs expérimentés chargés des essais de véhicules de réaliser les installations sans avoir besoin d'une formation ou d'une assistance spécialisée. Toutefois, des conseils spécifiques à l'application restent disponibles pour les installations complexes ou les exigences uniques.
L'avenir du positionnement des véhicules
Avec la prolifération des véhicules autonomes et la généralisation des systèmes avancés d'aide à la conduite, la demande de technologies de positionnement robustes et fiables dans tous les environnements va s'intensifier. Les solutions GNSS seules ne peuvent pas répondre à ces exigences, ce qui rend la capacité de navigation à l'estime essentielle pour les applications automobiles critiques en termes de sécurité.
Le capteur GPS CAN UDR offre une technologie éprouvée de navigation à l'estime sans attache dans un boîtier conçu spécifiquement pour la recherche et le développement dans le domaine de l'automobile. De la validation des véhicules autonomes aux essais de télémétrie et de dynamique des véhicules dans les sports automobiles, le positionnement continu, quelle que soit la visibilité des satellites, permet des applications que les systèmes GNSS seuls ne peuvent pas prendre en charge.
Pour obtenir des spécifications détaillées, de la documentation technique ou pour discuter de vos besoins en matière de positionnement, contactez directement Metis Engineering. L'investissement dans la technologie de l'estime élimine les limites des systèmes de positionnement GNSS.
